系统程序简介及背景

系统程序简介及背景

简介系统程序简介●

由各种支援计算机运作的程序所组成,使用者因此可以

专注于应用程序

。●

使得使用者开发应用程序（Application）与解决问

题

，而不需要知道机器的低阶运作方式

。●

如Compiler

、Loader

、Linker、Debugger、Assembler、MacroProcesser、Operating

System等等

。系统程序简介●藉由与计算机的作业系统的互动,操控这些流程●

UNIX

(Linux),

DOS:指令式

●MacOS,

Windows:

视窗式●作业系统会帮你处理好机器层面的细节,你都不必

担心这些问题程序编译过程1.

Preprocess

先处理那些#ifdef#define这些东西

并做一些巨集代换2.Compile

做语意分析

，翻译成汇编语言3.Assemble

翻成机器码与OS有关的格式，做成

relocatable

obj档

。4.

Link

找到symbol(函式，变量名)与程序库(sharedobj)中的子程序，做成可执行obj档(executable

obj)。完整程序处理过程系统程序的形式

(1)汇编程序(SourceProgram

inSource

Language)(ObjectProgram)机器语言程序

表列程序组合程序

Assembler系统程序的形式

(2)含有缩写的原始程序(

有巨集指令的原始程序)不含有缩写的原始程序(不含有巨集指令的原始程序)巨集处理程序

MacroProcessor系统程序的形式

(3)以高阶语言写成之原始程序编译程序Compiler低阶语言之原始程序系统程序的形式

(4)一群目的程序与函式馆的集合连结程序Linker连结成单一目的程序系统程序的形式

(5)可执行之机器语言目的程序载入程序Loader放入主存储器中，等待执行系统程序的形式

(6)●

作业系统

：包含了●档案管理程序●存储器管理程序●输出输入程序●

命令解译程序（Shell）●

中断处理程序●

……等等

。系统程序与应用程序●

应用程序（Application）●是以计算机为工具

，用来解决某些问题

。●

系统程序（System

Program）●是用来支援使用者对电脑的使用与操作

。●与机器的结构有关，但与机器的特性无关。●

本课程将以

Simplified

Instructional

Computer（SIC

、SIC/XE）系列的计算机作为系统程序的讨论

平台

。应用程序的范例●

例如●

浏览器●

排版软件●

多媒体●

绘图软件●

……等等。程序设计的考量●

应用程序的设计●考虑与探讨应用程序的设计、制作，与维护

●

系统程序的设计●考虑与探讨如何设计、制作，与维护以计算机为基础的信息处理系统（Computer

basedInformation

Processing

System）的核心部分。

背景内容●

第1.1节将说明系统软件和本书的整体架构

。●

第1.2节开始探讨系统软件和本书所使用的机器架

构之间的关系

。●

第1.3节将描述具备基本软件概念的「简化指令电

脑」（

Simplified

Instructional

Computer

，SIC）。●

第1.4节和第1.5节展示许多种类的计算机架构范例

。1.1

简介●

本节主要是介绍系统软件（system

software

）的

设计和实作概念。●

系统软件是由许多支援计算机运作的程序所组成的

，

此项软件可以让使用者只需关注应用程序或问题的

解决方案

，而不必知道计算机内部的运作细节

。汇编语言×汇编语言（assembler

language

）撰写程序

，并

且使用巨集指令（

macro

instructions）来读取或

写入资料，或是执行其他的高阶功能

。×然后，使用具备巨集处理器（macro

processor）

的组译器（assembler

）

，将这些程序转换成机器

语言。转换后的机器码，可藉由载入器或连结器以

置入系统中准备执行

，并可以使用除错器×来侦测程序的错误。本书的主题×组译器×载入器×连结器×巨集处理器

×编译器×作业系统×数据库管理系统×

文字编辑器以及交互式除错系统1.2

系统软件与机器架构×系统软件和应用软件最大的不同

，就是与机器的相

关性×系统程序是为了要支援计算机的运作并且供电脑本身

的使用，而不是支援特定的应用×系统程序通常与其执行机器的架构是有密切的关系:

组译器,编译器,作业系统×有许多的系统软件并不是与其所支援计算机系统的类

型有直接的关系。例如，组译器的一般设计和逻辑简化指令计算机(SIC)●

SIC

是一种假想的计算机

，其设计包括了大部分真实

机器中常见的特性，而避免掉一些不适当的独特性

质

。主要的章节×1.在任何此类软件的范例中

，都能找到的基本功能

。

×2.与机器架构有紧密关系的特性。×3.在实作这种类型软件时

，其他与机器无关的共通

特性。×

4.建构特殊软件的主要设计考量

。例如

，单阶段（single-pass）或是多阶段（multi-pass）处理。×

5.真实机器上的实作范例

，着重不常使用的软件特

性，以及与机器相关的特性。1.3

简化指令计算机（SIC）●

可以代表大多数硬件所具备的特性和概念

，而且可

以避免真实机器上大部份的特殊性质。●

二种不同的版本

：标准版本和XE

版本1.3.1

SIC

机器架构●

存储器●存储器是由长度为八个位元的字节（bytes）所组

成

；连续三个位元组形成一个字组（word，24个位

元）●所有的位址都是字节位址（byteaddress

）

；字组

的位址是以最低位之字节的位址来表示●

计算机记的忆体共有32,768（215）个位元组。1.3.1

SIC

机器架构●

暂存器1.3.1

SIC

机器架构●

资料格式●

整数是以24位元的二进制值来表示；并以二的补码

来表示其负数

。●

字符是以8位元的ASCII码来表示（参考附录B）。●

在标准版的SIC

中

，没有硬件的浮点运算器

。000000000000000000000000整数●

24位元●

2的补码表示法1.3.1

SIC

机器架构●

SIC指令格式●SIC的所有机器码指令都为底下的24位元格式opcode

x

address●旗标位8元x用来1表示索引位15址模式模式指定目标位址的算法直接x=0目标位址=位址索引x=1目标位址=位址+(X)opcodexaddressSIC

位址模式8

1151.3.1

SIC

机器架构●

指令集●

载入和储存暂存器（LDA、LDX、STA、STX等）

●

整数算数运算指令（ADD、SUB、MUL、DIV）●

COMP指令是比较暂存器A和记忆体中字组的值

●

条件跳跃指令（JLT、JEQ、JGT）●JSUB跳到子程序●

RSUB则是跳到暂存器L中所储存的位址1.3.1

SIC

机器架构●

输入和输出●

在标准SIC版本中，输入和输出的运作是从暂存器A

最右边的八个位元开始●每个装置都具有一组八位元的装置码

●

SIC系统共有三个I/O指令●

装置测试（Test

Device,TD）●

读取资料（Read

Data,

RD）●

或写入资料（Write

Data,WD）助记符号编号特定用途B3基底暂存器；用于定址S4一般工作暂存器

-

没有特定用途T5一般工作暂存器

-

无特定用途F6浮点累加器（48个位元）1.3.2SIC/XE机器架构●

存储器●

最大可用存储器为1

M字节（220字节）。●

额外暂存器1.3.2SIC/XE机器架构●

资料格式1.3.2SIC/XE机器架构●

指令格式：有四种，如下所示●格式一(Operand):仅有运算子(Operator)，不具运

算元●格式二:操作数为暂存器●格式三:操作数为相对位址●格式四:操作数为绝对位址●

格式如下页图所示。1.3.2SIC/XE机器架构●

指令格式1.3.2

SIC/XE●

Base

Relative●

Program-Counter

(PC)

Relative●

定址模式

，有两种

：机器架构Counter

(PC)

Relative1.3.2SIC/XE机器架构●

其他选项●

e

=

1

：Format4Instruction●

e

=

0

：Format

3Instruction●

(b,

p)

=

(0,

0)

：DirectAddressing●

x

=

1

：IndexedAddressing●

(i,

n)

=

(1,0)：ImmediateAddressing

●

(i,

n)

=

(0,

1)

：IndirectAddressing●

i

=

n

：SimpleAddressing1.3.2

SIC/XE机器架构1.3.2SIC/XE机器架构●

指令集●

针对新的暂存器（LDB、STB等等）进行存取资料，

以及执行浮点算数运算（ADDF

、SUBF、MULF、DIVF）。●

一些暂存器对暂存器的算数运算（ADDR、SUBR

、

MULR、D1VR）●

「监督呼叫指令」（

supervisorcall,

SVC）1.3.2SIC/XE机器架构●

输出和输入●

SIC中的I/O指令，同样适用于SIC/XE中。●

当CPU正在执行其他指令时

，还可以用一些I/O通道

（I/Ochannels）继续执行输入和输出的动作。●

SIO、TIO和HIO指令可以用来启始

、测试和暂停I/O

通道的运作。指令集(Instruction

Set)

(1)●

有关算数运算的指令

：例如●

(18)ADD

m

●

A

<-

(A)

+

(m..m+2)●

(58)ADDF

m●F<-

(F)

+

(m..m+5)●

(90)

ADDRR1,

R2●

R2

<-

(R2)

+

(R1)指令集(Instruction

Set)

(2)●

有关逻辑运算的指令

：例如●

(40)AND

m

●

A

<-

(A)

&

(m..m+2)●

(44)

OR

m●

A

<-

(A)

|

(m..m+2)指令集(Instruction

Set)

(3)●

有关资料传送的指令：例如

●

(00)

LDA

m●

A

<-

(m..m+2)●

(68)

LDB

m●

B

<-

(m..m+2)●

(0C)STA

m●(m..m+2)

<-A●

(B4)CLEARR1●

R1

<-

0指令集(Instruction

Set)

(4)●

有关输出输入的指令

：例如●

(E0)

TD

m

●

测试

device●

(D8)

RDm●

读出

device●

(DC)WDm●写入

device指令集(Instruction

Set)

(5)●

有关跳跃与控制的指令

：例如●

(3C)Jm

●

(30)

JEQ

m●

(48)JSUBm

●

跳到子程序●

(4C)

RSUB●

结束子程序，回到主程序。指令集(Instruction

Set)

(6)●

其他型态的指令

：例如●

(2C)TIX

m

●

X

<-

(X)

+

1;

(X)

:

(m..m+2)●

(B8)TIXR

R1●

X

<-

(X)

+

1;

(X)

:

(R1)●

(B0)

SVC

n●SVC;

(n)

=

nSIC

输出与输入●TD

测试未指装置是否准备好传送或接收,

结果设

定条件码CC,

<代表已经准备好,

=表示还没准备

好●程序必须等待装置准备好,才能执行

RD

(读取资

料)或

WD(写入资料)指令SIC

程序设计范例●

定义资料储存空间的方法●WORD会保留一个字组的空间

(常数)●RESW会保留一个以上的字组空间供程序使用

(变

数)●BYTE,

RESB类似,空间大小仅为一个字节1.3.3SIC程序设计范例SIC

程序设计范例–

给值●上页程序

(课本图1.2a)相对应的

C

语言intALPHA

=

5;char

C1

=‘Z’;1.3.3SIC程序设计范例SIC

指令集●

整数运算

ADD,

SUB,

MUL,

DIV●ADD–将数值加入暂存器

A

●SUB–将暂存器

A

减去数值●MUL–

将数值乘入暂存器

A

●

DIV–将暂存器

A

除以数值1.3.3SIC程序设计范例SIC

程序设计范例–

数值运算●上页程序

(课本图1.3a)相对应的

C

语言int

ONE,ALPHA,

BETA,GAMMA,DELTA,INCR;BETA

=ALPHA

+INCR–

ONE;DELTA

=

GAMMA

+INCR

–ONE;LDXZEROMOVECHLDCHSTCHTIXJLT…STR1,XSTR2,XELEVENMOVECHSTR1BYTEC’TEST

STRING’STR2RESB11ZEROWORD0ELEVENWORD11SIC

程序设计范例–

循环和索引(1.4a)SIC

程序设计范例–

循环和索引●上页程序

(课本图1.4a)相对应的

C

语言char*STR1

=“TEST

STRING”;char

STR2[11];strcpy(STR2,

STR1);SIC

指令集●COMP

可比较暂存器

A

的值和存储器中的字组,

他会设定结果

(<,

=,

>)

的条件码

CC●条件跳跃指令可以测试CC的设定,根据CC的值来跳跃

(JLT,JEQ,JGT)暂存器

SW条件码

CC:<,

=,

>跳跃指令

JLT,JEQ,JGT存储器中的字组暂存器

ACOMP结果SIC

索引●

SIC

指令前可以加索引,让跳跃指令使用,例:;无索引;有索引ALPHAALPHALDALDALABEL11.3.3SIC程序设计范例1.3.3SIC程序设计范例1.3.3SIC程序设计范例SIC

指令集●连结子程序

JSUB

跳跃至子程序,将返回位址放到

L;

RSUB返回时会跳到暂存器L存放的位址1.3.3SIC程序设计范例1.3.3SIC程序设计范例1.4传统（CISC）机器●

Complex

Instruction

Set

Computers(CISC)机器●

指令集多而暂存器少。（约十几个）

●

变动格式的指令

。●

多种定址形式。●硬件结构较复杂

。●

VAX

的架构●

Intel

x86系列的处理器架构1.4.1VAX架构×存储器+八位元的字节所组成+连续的二个位元组形成一个字组（word）+连续四个位元组形成一个「长字组」（longword）

+连续八个位元组形成一个「四字组」（quadword）+连续十六个位元组形成一个「八字组」（octaword）×所有VAX的程序都可以在2^32字节的虚拟记忆

体空间（virtual

address

space）中运作1.4.1VAX架构×暂存器+VAX机器有16个通用暂存器（general-purposeregisters

）

，编号从R0到R15。+长度都是32个位元。+R15为「程序计数器」+R14为「堆栈指标」（stack

pointer,

SP

+R13为区段指标（frame

pointer,

FP+R12是参数指标（argument

pointer,AP）

+R6到R11:一般用途+R0到R5:一般用途/特殊目的1.4.1VAX架构●

资料格式●

整数是以字节、字组、长字组、四字组或八字组

●

字符是使用8位元的ASCII码来储存

。●有四种不同的浮点（floating-point）资料格式，其

长度范围从4到16个位元组

。●

「聚集式十进制」（packeddecimal）●队列（queues

）以及可变长度的位元串（variable-

length

bit

strings）1.4.1VAX架构●

指令格式●

可变长度的指令格式●

运算码（一个或二个位元组）

，以及依据指令型态的不同，最多有六个「操作数描述子」（operandspecifiers）所组成的。1.4.1VAX架构×定址模式+暂存器模式+暂存器委托模式+自动增加和自动减少模式+基底相对的定址模式:程序计数器相对模式+所有的定址模式都可以包含一个索引暂存器（index

register+指定间接定址模式+立即操作数和许多特定用途的定址模式1.4.1VAX架构●

指令集●

指定运算子型态的字首（prefix）。●

指定操作数资料型态的字尾（suffix

）。●

决定操作数数量的修饰子（modifier，某些指令才具

备）

。1.4.1VAX架构●

输入和输出●藉由I/O装置控制器（devicecontroller）来完成输

入和输出的动作

。●每个控制器拥有一组控制/状态和资料暂存器，这些暫存器在實際位址空間（physicaladdressspace

）上都有特定的对应位置。装置控制器之暂存器所對應的位址空间，称之为I/O空间（I/Ospace）1.4.2

Pentium

Pro架构●

存储器●

在实体层次上，存储器是由八个位元的字节所组成

的●

连续的二个位元组形成一个字组●

连续的四个位元组形成双字组（double-word

，也称为

dword）。●程序设计者通常将x86存储器视为是一些区段

（segments

）的集合●

位址将包含二个部分：区段的编号以及该区段中的位移量

（offset）。1.4.1VAX架构×暂存器+八个通用的暂存器:EAX、EBX、ECX、EDX、ESI

、

EDI、EBP、以及ESP

。(长度都是32位元长)+EAX、EBX、ECX、和EDX通常作为资料处理的用途

+FLAGS是一个长度为32位元的暂存器

，其内容可以包含许多不同旗标位元，+区段暂存器（segment

registers），用来指定记忆

体中的区段。×

CS存放现正执行之区段码的位址

×SS包含了目前堆栈区段的位址×DS、ES、FS、和GS指出资料区段的位址。1.4.1VAX架构●

资料格式●x86架构提供了整数、浮点数、字符、以及字符串的储

存空间

。●

FPU可以处理64位元之具正负符号的整数。●x86架构有三种不同的浮点资料格式

。●

单精度（single-precision）格式的长度是32位元●

双精度（double-precision）格式的长度是64位元●

延伸精度（extended-precision）格式的长度是80个位元1.4.1VAX架构●

指令格式●x86机器的所有指令是使用相同的基本格式

●

前置词（

prefix

）

，●运算码（

opcode

，一个或二个位元组）●

操作数以及所使用的定址模式1.4.1VAX架构●

定址模式●

操作数的值可能本身就位于指令中（立即模式），或是儲存在暫存器中（暫存器模式）

。●TA

=（基底暂存器）+（索引暂存器）*（比例因子）

+位移量1.4.1VAX架构●

指令集●超过四百种不同的机器指令●每一个指令可能会有零个

、一个

、二个或三个操作数●暂存器对暂存器●暂存器对存储器的指令●存储器对存储器的指令1.4.1VAX架构●

输入和输出●藉由I/O埠将一个字节、字组、或是双字组，传送

到EAX暂存器中●输出指令则是从EAX暂存器中，传输一个字节、字组、或双字组到I/O埠●

利用重复前置词，可以让这些指令再单一的运算中就

可以传送一个完整的字符串。1.5

RISC机器●

Reduced

Instruction

Set

Computers●

标准和固定的指令长度●

单周期（single-cycle

）的指令

。●

存储器的存取通常只能透过载入和储存的指令●

所有的指令都是运作于暂存器与暂存器之间●

通用暂存器的数目都相当的多●

机器指令的数目、指令格式、以及定址模式却是相

当的少。1.5.1

Ultra

SPARC架构●

存储器●存储器是由长度为八位元的字节所组成的

●

连续两个位元组形成「半字组」（halfword）●

连续四个位元组形成「字组」●

连续八个位元组则形成「双字组」●

UltraSPARC的程序可以使用264字节的虚拟存储器1.5.1

Ultra

SPARC架构●

暂存器●

非常大量的暂存器档案（registerfile

●超过100个以上的通用暂存器●

一个程序只能够存取其中的32个暂存器，编号从r0

到r31。●

前八个暂存器（r0到r7）是全域式（global）

暂存器1.5.1

Ultra

SPARC架构●

资料格式●

整数、浮点数以及字符的储存空间。●

整数是以8、16、32或64位元的二进制值来储存●

三种不同的浮点资料格式●

单精度（

single-precision

）格式的长度是32位元●

双精度（double-precision）格式的长度是64个位元●「四精度」（quad-precision）格式中，有63个位元为浮点

值

，而15个位元为指数值

。●

字符是储存在一个字节中1.5.1

Ultra

SPARC架构●

指令格式●

长度都是32个位元●格式1是用于呼叫（call）指令●格式2是使用在分歧（branch）指令●

其余的指令都是使用格式3，包括了暂存器的载入和

储存，以及三个操作数的算数运算。1

5

1

UltSPARC架构1.5.1

UltraSPARC●

定址模式1.5.1

Ultra

SPARC架构●

指令集●

少于100种的机器指令●

唯一可以存取存储器的就是载入和储存指令●

其他所有的指令都是运作于暂存器与暂存器之间。

●采用「管线」（pipelined）方式1.5.1

Ultra

SPARC架构●

输入和输出●

透过存储器来达成与I/O装置的通讯。●

某一段范围的存储器位址

，在逻辑上是被装置暂存器

所占用。●每个I/O装置都有唯一的位址●

针对存储器中的装置暂存器位址进行载入或储存时，

就可以启动相对应的装置1.5.2

PowerPC

架构●

存储器●

八位元的字节所组成●

连续的两个位元组形成「半字组」●

连续四个位元组形成「字组」●

连续八个位元组形成「双字组」●

连续十六个位元组形成「四字组」●

PowerPC的程序可以使用264字节的虚拟存储器1.5.2

PowerPC

架构×暂存器+PowerPC架构中有32个通用暂存器，编号从GPR0到GPR31。+长度都是64个位元+浮点运算可以执行于浮点运算单元

，此单元包含了32个64位元的浮点暂存器，以及状态和控制暂存器。+32位元的条件暂存器+「连结暂存器」（Link

Register,

LR）+「计数暂存器」（Count

Register,CR）1.5.2

PowerPC

架构×资料格式+提供了整数、浮点数和字符的储存空间+整数可以是8、16、32、或64个位元的二进制数值

，而且也支援具正负符号以及不具符号的整数；负数是

以二的补码方式来表示。+两种不同的浮点资料格式。×

单精度（single-precision）格式的长度是32位元×

双精度（double-precision）格式的长度是64位元+每个字符占一个字节，且使用八位元长的ASCII码表示

。1.5.2

PowerPC

架构

●

指令格式●

PowerPC架构中有七种基本的指令格式，其中某些

格式还有子格式（subforms）●所有格式的长度都是32个位元●

指令必须对齐字组边界的开始位置（亦即

，四的倍数

的字节位址）●

指令的前六个位元通常都是运算码；某些指令格式会

有额外的延伸运算码（extended

opcode）