3.1 最小系统

在最小系统中，只关注计算机的内存（Memory）与中央处理器（Central Processing Unit，CPU）。

3.1.1 内存

内存是一个临时存储设备，是计算机中重要的部件之一，计算机中所有程序的运行都是在内存中进行的。内存也被称为内存储器或主存储器，用于暂时存放CPU中的运算数据，以及与硬盘等外部存储器交换的数据。只要计算机在运行中，CPU就会把需要运算的数据调到内存中进行运算，当运算完成后CPU再将结果传送出来。

从物理上来说，内存是由一组动态随机存储器（DRAM）芯片组成的；从逻辑上来说，内存是一个线性字节数组，每个字节都有其唯一的地址（数组索引），这些地址从0开始。

系统的内存大小受限于地址编码的长度，例如，某系统的内存地址长度只有2位时，内存地址就只有4个，即00、01、10、11，因此这个系统的最大内存为4B；内存地址长度有4位时，系统的最大内存为16B（如图3-1所示）；内存地址长度有10位时，系统的内存最大可以有1KB；而地址空间长度有32位时，系统的最大内存可以有4GB。一般来说，如果系统的内存地址长度有 N 位，那么系统的内存最大就有2 ^N 字节。

3.1.2 中央处理器

中央处理器作为计算机系统的运算和控制核心，是信息处理、程序运行的最终执行单元。在计算机体系结构中，CPU是对计算机的所有硬件资源（如存储器、输入/输出单元）进行控制调配、执行通用运算的核心硬件单元。计算机系统中所有软件层的操作，最终都将通过指令集映射为CPU的操作。

本章只关注CPU中的两个部件：寄存器（Register）与算术逻辑部件（Arithmetic Logical Unit，ALU）。

· 寄存器：寄存器是CPU内部的存储部件，其存储容量有限，但存储速度非常快，可用来暂存指令、数据和位址。CPU中寄存器的存储位数不像内存一样限定为8位，可以扩展为16位、32位或64位。同时由于寄存器的个数有限（一般是十余个），因此不采用地址编码，而是给每个寄存器起个名字。

· 算术逻辑部件：算术逻辑部件是指能实现多组算术运算与逻辑运算的组合逻辑电路，是中央处理器中的重要组成部分。算术逻辑部件主要是进行二位元算术运算，如加法、减法、乘法等。

3.1.3 最小系统示例

图3-2是包含CPU与内存的一个最小系统示例。其中CPU中有四个8位的寄存器（其名字分别为R0、R1、R2、R3），剩余部分用“其他部分”来表示，内存地址宽度为4位，编码为0000～1111，即共有16字节的内存。内存与CPU之间存在一个数据传送的通道，称为总线，同样，在CPU内部也存在传输数据的内部总线，为了简单起见，图中并没有标出这些总线。

假设要在最小系统上执行的代码如下：

首先来看第一行代码，它在C语言中的意义是定义了一个整型变量i，并赋值1。但在执行层面上，计算机在执行这行代码时，所做的操作是在内存中分配一个地址，用于存储该整数，在以后对变量i进行操作时，就是对内存地址中的值进行操作，例如在赋值1的时候，就是将内存地址0000中的数据修改为1。这时最小系统的状态如图3-3所示。

从执行过程可以看出，定义变量实际上涉及内存分配操作，如果内存已经使用完，那么该操作就无法完成，进而导致程序运行时出错。因此，在定义占用空间特别大的数据类型时，需要特别小心，例如，定义一个大型的整数数组int arr[1000000]在语法上是完全合法的，因此可以顺利编译通过，但在运行时则有可能因为无法分配内存而导致出错。

试一试：在你的计算机上尝试调整数组大小，看看数组多大时运行会出错。

最小系统继续执行“int j=2;”和“int k;”这两个变量定义语句，执行后最小系统状态如图3-4所示。

在这个执行过程中，有以下两点需要注意。

· 为了简单起见，我们假设三个变量在内存中是连续的，但这并不是强制规定。换而言之，在执行代码时，只需要保证每个变量有一个对应的内存地址即可。

· 变量k没有赋初值，默认为0。这是因为内存是易失性存储器，在断电重启后所有数据都会清零，有些编译器也会为未赋初值的整数变量赋默认值0，但由于变量k所分配的内存空间有可能是回收的空间，因此如果不赋初值，变量k有可能是其他值，因此最好都赋初值0。

对于代码“k=i+j”而言，由于涉及计算，因此CPU需要参与其中。其执行步骤分为以下四步。

1）将内存地址0000中的值（也就是i）送往CPU的某个寄存器中，假设为R0，此时最小系统的状态如图3-5所示。

2）将内存地址0001中的值（也就是j）送往CPU中的另一个寄存器中，假设为R1，此时最小系统的状态如图3-6所示。

3）CPU中的ALU执行加法指令，将两个寄存器中的值相加，将结果放在第二个寄存器中，即R1中存储了两个数的和，此时最小系统的状态如图3-7所示。

4）将R1中的值传送至内存地址0010中，代码执行完成，最小系统的状态如图3-8所示。

下面举一个稍微复杂的例子，代码如下。

第一行代码定义了一个有两个元素的整数数组，其名称为arr，在分配内存时，会分配两个整数空间，由于它们在一个数组内，因此其地址肯定是连续的，这时只需要记录arr的地址编号。假设arr分配的内存地址是0010，则0010中保存了arr[0]的值（即1），0011中保存了arr[1]的值（即2）。

第二行代码定义了一个整数变量，过程与上面相同，假设为k分配的地址是0000，则在分配好后，最小系统的状态如图3-9所示。

下面开始执行第三行代码，这一行代码的功能是将arr[1]与k相加，但对于第一个操作数arr[1]，由于在C语言中，[]实际上是一个地址计算操作，即将arr的值（数组首地址）加上[]中的数字，形成新的地址，再去取这个地址中的值，因此第三行代码的执行分为三个阶段。第一个阶段是计算arr[1]在内存中的地址，获得arr[1]的值（第1～4步）；第二个阶段是将arr[1]与k相加（第5～6步）；第三个阶段是计算arr[0]在内存中的地址，然后将第二阶段获得的结果保存在这个地址中（第7～10步）。具体的描述如下。

1）将arr的值传送到某个寄存器，假设为R0。

2）将[]中的数值1传送到另一个寄存器中，假设为R1。

3）CPU中的ALU执行加法指令，将两个寄存器的值相加，将结果放在R1寄存器中。

4）将R1寄存器的值与读内存指令传送到内存管理单元，将此值的低四位作为内存地址，读取此地址中的数值，并传送到寄存器R2中。第一阶段完成后，最小系统的状态如图3-10所示。

5）将内存地址0000（即变量k）的值传送到寄存器R1中（R1寄存器中之前保存的是arr[1]的地址，已经使用完毕，所以可以覆盖）。

6）CPU中的ALU执行加法指令，将R1与R2两个寄存器的值相加（即计算arr[1]+k的结果），将结果放在R2寄存器中；此时最小系统的状态如图3-11所示。

7）将arr的值传送到寄存器R0中（由于R0中保存的就是arr的值，如果系统足够“聪明”，可以进行优化，省略这一步）。

8）将[]中的数值0传送到寄存器R1中。

9）CPU中的ALU执行加法运算，得到结果并将其保存在R0中（由于是加0操作，如果系统足够“聪明”，可以进行优化，直接将第7～9步简化成一步：直接将arr值传送到寄存器R0中）。

10）将R2（写入内存的内容）与R0（写入内存的地址）的值与写内存命令发送给内存管理单元，在R0的低四位地址（0010，即arr[0]）中写入R2的值，至此代码执行完成。这时最小系统的状态如图3-12所示。