1.1 计算机基础知识

计算机系统是由硬件和软件组成的，它们协同工作来运行程序。计算机的基本硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5大部件组成。

CPU¶

运算器、控制器等部件被集成在一起统称为中央处理单元(CentralProcessingUnit，CPU)。

功能：

组成部件：

算术逻辑单元ALU
累加寄存器AC
数据缓冲器DR 作为CPU和内存、外部设备之间数据传送的中转站；作为CPU和内存、外围设备之间在操作速度上的缓冲；在单累加器结构的运算器中，数据缓冲寄存器还可兼作为操作数寄存器。
状态条件寄存器PSW

它不仅要保证程序的正确执行，而且要能够处理异常事件。

组成部件：

指令寄存器（I**nstruction **R**egister）：临时存放当前正在执行的指令。 ->就像厨师的**工作台，把当前要做的这道菜的配方（指令）摆在这里。
程序计数器（P**rogram **C**ounter）：存放**下一条**将要执行的指令的内存地址。它也被称为“指令计数器”。 ->就像厨师手中的**书签，它告诉厨师下一道菜（下一条指令）在哪里。
地址寄存器（A**ddress **R**egister）：保存CPU当前正要访问的内存单元的地址。 ->就像厨师的**购物清单，记录着这道菜所需要的食材（数据）在储藏室（内存）里的具体位置。
指令译码器（I**nstruction **D**ecoder）：分析和解释指令。 ->就像厨师的**翻译官，把工作台上的神秘配方（指令代码）翻译成具体的动作（操作信号）。

指令

操作码（做什么操作，如加法、移动数据）+地址码（操作数在哪里，“2”/“3”）：2+3

译码

计算机在一个指令周期的过程中，为从内存读取指令操作码，首先要将 ____ 的内容送到地址总线上。
A. 指令寄存器（IR） B. 通用寄存器（GR） C. 程序计数器（PC） D. 状态寄存器（PSW）

分析问题：

指令周期：一个指令周期是CPU执行一条指令所需的时间。它通常包括取指令、译码、执行等步骤。
“为从内存读取指令操作码”：这明确指出了正在进行的是**取指令**阶段。
“首先要将（2）的内容送到地址总线上”：这是一个关键步骤。在取指令阶段，CPU需要知道去内存的哪个地址拿指令。这个地址是哪个寄存器提供的？
PC (程序计数器)：PC 的作用是**存放下一条要执行的指令的地址**。在取指令阶段，CPU首先会从 PC 中取出这个地址，然后将其送到地址总线上，以便去内存中找到并取出指令。
IR (指令寄存器)：IR 的作用是**存放当前正在执行的指令**。在取指令阶段之后，从内存取出的指令会被存入 IR。因此，在“取指令”这个阶段，IR 里面还没有指令，它的内容不是地址。IR 的内容是指令本身，而不是指令的地址。

结论：

根据指令周期的基本流程，在**取指令**阶段，CPU首先需要知道指令的地址。而这个地址就是由**程序计数器（PC）** 提供的。因此，PC 的内容首先被送到地址总线上。

指令寄存器（IR） 是用来**存放**从内存中取出的**指令**，而不是存放指令的地址。这个过程发生在地址总线传输地址**之后**。

所以，正确的答案是 C，因为在指令周期的取指令阶段，PC 里的地址是第一个被送上地址总线的。

原码是最直观的表示方法，直接将数值的符号和绝对值转换为二进制。

定义：
- 整数: 符号位（0为正，1为负）+ 数值的绝对值的二进制表示。
- 小数: 符号位（0为正，1为负）+ 数值的绝对值的二进制表示。
公式定义 (设机器字长为n):
- 若X是纯整数: $$ [X]_{原} = \begin{cases} X & 0 \le X < 2^{n-1} \ 2^{n-1} + |X| & -(2^{n-1}-1) \le X \le 0 \end{cases} $$
- 若X是纯小数: $$ [X]_{原} = \begin{cases} X & 0 \le X < 1 \ 1 + |X| & -1 < X \le 0 \end{cases} $$ 注意：在原码表示中，+0 和 -0 有不同的编码。

反码的出现是为了解决减法运算的问题，它可以将减法转换为加法。

定义:
- 正数: 正数的反码与其原码相同。
- 负数: 负数的反码是在其原码的基础上，符号位保持不变，其余数值位按位取反。
公式定义 (设机器字长为n):
- 若X是纯整数: $$ [X]_{反} = \begin{cases} X & 0 \le X < 2^{n-1} \ (2^n - 1) + X & -(2^{n-1}-1) \le X \le 0 \end{cases} $$
- 若X是纯小数: $$ [X]_{反} = \begin{cases} X & 0 \le X < 1 \ (2 - 2^{-(n-1)}) + X & -1 < X \le 0 \end{cases} $$ 注意：在反码表示中，+0 和 -0 同样有两种不同的编码。

补码是目前计算机系统中最常用的有符号数表示方法，它解决了反码中“0”的表示不唯一的问题，并能简化运算。

定义:
- 正数: 正数的补码与其原码相同。
- 负数: 负数的补码是在其反码的末位加1。
公式定义 (设机器字长为n):
- 若X是纯整数: $$ [X]_{补} = \begin{cases} X & 0 \le X < 2^{n-1} \ 2^n + X & -2^{n-1} \le X < 0 \end{cases} \pmod{2^n} $$
- 若X是纯小数: $$ [X]_{补} = \begin{cases} X & 0 \le X < 1 \ 2 + X & -1 \le X < 0 \end{cases} \pmod{2} $$ 注意：在补码表示中，0只有一种编码，并且比原码和反码能多表示一个最小的负数。

移码主要用于表示浮点数中的阶码，其特点是能方便地比较大小。

定义: 移码是在真值 X 的基础上增加一个固定的偏移量（或称为偏置值）。对于n位的整数，偏移量通常是 2^n-1。移码的计算方法也可以是将补码的符号位取反得到。
公式定义 (设机器字长为n，偏移量为 2^n-1):
- 若X是纯整数: $$ [X]_{移} = 2^{n-1} + X \quad (-2^{n-1} \le X < 2^{n-1}) $$
- 若X是纯小数: $$ [X]_{移} = 1 + X \quad (-1 \le X < 1) $$ 注意：移码中，0的表示也是唯一的。移码保持了数据原有的大小顺序，可以直接用于比较大小。