CMU 15-213|Overview & Bits Representation

冯诺依曼架构

组成部分

最经典的计算机架构，包含五个重要组成部分

• 存储器
• 控制器
• 运算器
• 输入
• 输出

现在的计算机也基本是基于这个架构的，只是运算器和控制器统一交由 CPU 来进行处理。

但是和冯诺依曼体系结构对应的当年还有一个叫做哈佛结构的：它和冯诺依曼架构最大的区别在于能够同时访问数据和指令，虽然哈佛结构很快就黯然退场了，但是如今在移动端市场流行的 ARM 架构也是由此演变而来。

设计缺陷

可以说如今计算机系统出现的诸多不稳定，是在冯诺依曼架构设计之初就注定的。

缓存溢出可以执行攻击者预订好的程序（游戏机设备的 jailbreak 有些就来自于此）

甚至采用 返回导向编程 的堆栈溢出攻击，在出现之后长达十多年里，主流操作系统都毫无防范之力

在 CSAPP 的实验中，我们将会亲自体验一番漏洞攻击，黑客模拟器XD

这门课程的必要性

程序的执行不仅仅是编写代码这么简单，代码写的好并不代表最终的执行就会正常。

我们对于一个事物的认知决定了如何更好的利用这个事物。

程序的执行除了代码本身，还需要结合内存，缓存，运算器等等部件，同时编译器，计算机系统的其他概念也会影响程序的最终执行，这门课程可以让我们从里到外的理解程序到底是如何执行的，这样才能写出更好更高效的代码。

数据的机器级表示

无符号和有符号

他们所能表示的数之间的关系可以直观的看下图：

这里其实有一种偏移 bias 的感觉，那就是如果讨论表示范围，对于同一个二进制的数据，有符号和无符号数据范围存在一定的 bias

目前主流的编程语言，默认都是有符号数，为了便于保存负数，但是 c 提供了无符号的声明形式

int a_signed_number = -15213;
unsigned int a_unsigned_number = 15213U;

转换操作

无符号数和有符号数在计算机的底层硬件表示中都是二进制存在的，只是计算机针对我们理解的无符号和有符号，解释的方式不同

因此转换操作本身并不会改变二进制数据的实际内容，改变的只是计算机解释当前数值的方式

在进行互相转换的时候需注意：如果同时出现有符号和无符号的运算/比较，计算机在解释的时候会统一转化为无符号来进行解析

运算和溢出

无论是无符号数还是有符号数，一旦用来表示数值的最高位发生了进位/超出了表达形式/改变了符号位，就会发生溢出

无符号数溢出

实际上是 mod 操作，因为无符号本身并不需要牺牲一个 bit 的位置来表示符号，因此如果超出数据范围了，例如 3 bit 下， 110+111 = 6+7 = 13 = 1101 ，但是由于只能存储三位，因此实际存储的数据只有 101 因此最终结果实际上只有 13%8 = 5

有符号数溢出

分为正溢出和负溢出两种

还是以 3 bit 举例，对于有符号数能表示的范围应当是 -4 ~ 3，以 011+010 = 3+2 = 5 = 101，但是在二进制的解释下最终结果是 -4+1 =-3，这种情况就是正溢出（我们认为的5超出了能表示的范围，虽然 bit 位数没有超出，但是有符号数解释的最高位符号位收到了影响，溢出为了负数）

浮点数

浮点数的IEEE存储形式定义

规范化值

M默认心里有一个1，这个1不需要实际的编码位置，只需要默认心里记住