深入理解计算机系统 Chapter02 | 信息的存储

2022-06-13 138

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简介： 深入理解计算机系统 Chapter02 | 信息的存储

1.信息的存储

通常情况下，程序将内存视为一个非常大的数组。数组的元素是由一个个的字节组成，每个字节都由一个唯一的数字来表示，称之为地址。这些所有地址的集合称为虚拟地址空间。

信息的存储

2.字节

1个字节是由8个位组成，在二进制中，每一位的值可能有0或者1两种状态。当这8个位全为0时，表示一个字节的最小值；当这8个位全为1时，表示最大值；如果用十进制来表示，那么一个字节的取值范围就在[0,255]之间。上面这种按照一位一位表示数据的方式称为位模式。

位模式

3.进制转换

在C语言中，十六进制数是以0X或0x开头。字母部分可以是全部大写或全部小写或者大小写混合。

进制转换

二进制与十六进制之间的转换：将二进制数从右向左，每四位为一组来转换成相应的十六进制数。如果总位数不是4的倍数，那么最左边的一组会出现小于4位的情况，这时将前面进行补0。接着，将每4位为一组的二进制数进行一一转换即可得到十六进制数。

二进制与十六进制转换

如何将形如2的n次方的数快速转换为十六进制数？

2^0 = 1          0个0
2^1 = 10         1个0
2^2 = 100        2个0
2^3 = 1000       3个0
2^4 = 10000      4个0
2^5 = 100000     5个0
....
2^n = 1000...000 n个0
n = i + 4j：n除以4，j是商、i是余数，i的可能取值是0、1、2、3，因此与之对应的十六进制数是1、2、4、8
例如2^13, n = 13 = 1 + 4 * 3，因此2^13 = 0x2000

十进制与十六进制之间的转换：使用辗转相除法，每次使用得到的商来除以16，直到得到的商不能被16整除为止。将得到的余数用16进制来表示，然后自下而上书写即可得到十六进制表示。

十进制与十六进制转换

4.字长Words

字长决定了虚拟地址空间最大值可以到多少，对于32位机器，虚拟地址空间最大为4GB；64位机器，虚拟地址空间最大为16EB。

字长

大多数64位的机器做了向下兼容，因此32位机器编译的程序也可以运行在64位机器上。在64位机器上，可以通过命令gcc -m32 -o hello32 hello.c编译生成可以在32位机器上运行的程序。通过修改编译选项gcc -m64 -o hello64 hello.c，就可以编译生成在64位机器上运行的程序。

不同类型占用不同字节空间

5.地址和字节序

一个int类型的变量x=0x01234567，假设地址位于0x100处。由于int类型占4个字节，因此x被存储在地址为0x100~0x103的内存处。

大端模式与小端模式

大端模式：最高有效字节存储在最前面即低地址处。IBM和Sun公司的机器大多采用大端法。小端模式：最低有效字节存储在最前面即低地址处。大多数intel兼容机采用小端模式。

// 判断大、小端模式测试程序
#include <stdio.h>
typedef unsigned char* byte_pointer;
void show_bytes(byte_pointer start, int len) {
    int i;
    for(i = 0; i < len; i++) {
        printf("%.2x", start[i]);
    }
    printf("\n");
}
void show_int(int x) {
    show_bytes((byte_pointer) &x, sizeof(x));
}