6.1904 C语言的底层汇编
先行条件
无
课程描述
| 周次 | 主题 |
|---|---|
| 第 1 周 | 无符号二进制编码、十六进制编码、位运算、补码编码（two's complement）、ASCII 字符编码、 |
| 第 2 周 | C 语法、C 中的数据类型、 |
| 第 3 周 | 数组与指针、字符串、结构体、指针算术（pointer arithmetic） |
| 第 4 周 | RISC-V 汇编语言、RISC-V 指令编码（instruction encoding）、指令内存（instruction memory） |
| 第 5 周 | RISC-V 调用约定（calling convention）、栈（stack） |
| 第 6 周 | 内存布局（memory layout）、堆（heap）、动态内存分配（dynamic memory allocation） |
它旨在帮助学生建立对内存和相关主题的理解，包括指针、不同数据结构在内存中的存储方式、堆栈和堆，以便对现代计算系统中操作复杂数据结构的限制有一个深入的理解。此外，该课程还研究汇编语言，以便让学生深入了解高级语言是如何被翻译成机器级指令的。
J. Steinmeyer
在线C语言运行环境： replit
参考书
- [The C Programming Language, Second Edition](./The C Programming.Language.2nd.pdf)
- Digital Design: A Systems Approach, William J. Dally and R. Curtis Harting, Cambridge University Press, 1st ed., 2012.
- Computer Organization and Design: The Hardware Software Interface, RISC-V Edition, David A. Patterson and John L. Hennessy, Morgan Kaufmann, 1st ed., 2017.
- Computation Structures Online Materials
- 对于6.004课程，部分内容已经过时
测验
spring 2025a qs25a_quiz_soln.pdf
Lec 1 二进制基础
- 二进制运算：字节/字/位、无符号整数、进位、固定位宽的回绕（模运算）、十六进制
- 位运算：
& | ^ ~ << >>六个运算符、常用惯用法（取/置/清/翻转某位、掩码、清最低位 1）、XOR 性质- 踩坑：
&vs&&、移位优先级低于+ -
- 踩坑：
- 有符号数与补码：MSB 符号位、
−A = ~A + 1、表示范围、逻辑移位 vs 算术移位- 踩坑：有符号溢出 UB / 无符号环绕、有符号⇄无符号比较、补码不对称（
INT_MIN）、移位三坑、八进制字面量、char符号性、整数提升
- 踩坑：有符号溢出 UB / 无符号环绕、有符号⇄无符号比较、补码不对称（
- 字节序（endianness）：小端 vs 大端、
int在内存里的字节排列、int*→char*检测字节序、网络字节序 - 浮点数：指数格式与近似本质、IEEE 754 字段划分、偏移码、特殊值（±0 / 次正规 / ∞ / NaN）
- 踩坑：不能用
==比浮点、加法不满足结合律、大数吸收小数、int→float丢精度、NaN != NaN、±0
- 踩坑：不能用
- printf：格式说明符必须匹配实参类型
Lec 2 C语言基础
- 统一框架：作用域 / 生命周期 / 链接三个正交属性，四类对象挂在同一张表上
- 外部变量：跨函数共享数据；逆波兰计算器实例（栈放哪、参数求值顺序陷阱、
getch/ungetch回退） - 作用域规则：自动变量 vs 外部变量、声明 vs 定义、
extern跨文件 static：外部static（文件级隐藏／调链接）、内部static（函数内持久／调生命周期）；练习 4-11 用内部 static 干掉ungetch- C 预处理器：宏定义 /
#undef、字符串化#、记号粘贴##、条件编译与 include guard、swap宏的do{}while(0)
Lec 3 C语言的数组 & 字符串 & 结构体
- 数组与指针：指针概念、连续内存的数组、
sizeof运算符、指针算术五条规则- 踩坑：指针大小依架构（4/8 字节）、
avs&a、数组退化丢长度、void*算术、越界 UB
- 踩坑：指针大小依架构（4/8 字节）、
- 函数指针：从变量名出发逐层解读声明
- 字符串：char 数组与
'\0'、ASCII、string.h常用函数（strcpy/strcat/strcmp/strtok…）- 踩坑：字符串字面量只读、
strncpy不补'\0'、==比的是指针、缓冲区要 +1、strlen是 O(n)
- 踩坑：字符串字面量只读、
- 结构体：成员访问、传指针避免拷贝、初始化、NULL
- 踩坑：
sizeof因对齐 padding 大于成员和、不能用==比较、赋值是浅拷贝、按值传/返回整体复制
- 踩坑：
Lec 4 RISC-V 汇编：寄存器与指令
- 处理器组成与设计原则：三原则（规整 / 越小越快 / 好折中）、存储程序概念、指令内存 vs 数据内存
- 寄存器及其作用：load/store 架构为何依赖寄存器、
x0硬连线 0、ABI 命名与完整约定表 - 指令类型及其区别（按功能）：计算（R/I、符号扩展、lui/auipc）、存取（字节寻址与对齐）、控制流（6 条分支、jal/jalr）、伪指令
- 指令格式（按编码）：R / I / S / B / U / J 六种，及 S/B 型立即数为何被打散
- 寻址模式总结：立即数 / 寄存器 / 基址偏移 / PC 相对寻址
- 例题：if-else、while 循环、数组求和
- 扩展阅读：单周期处理器数据通路
Lec 5 调用约定、栈与内存布局
- 调用约定与调用过程：过程六步骤、
jal/jalr控制转移、参数/返回值寄存器、caller-saved vs callee-saved、完整寄存器约定表 - 栈与活动记录：寄存器溢出到栈、栈性质与 push/pop、活动记录（栈帧）、叶子 vs 非叶子过程、帧指针、C 的存储类别
- 过程翻译三步法 + 例题：leaf_example、swap
- 嵌套过程与递归：fact、尾递归优化、sort（非叶子+嵌套循环+过程调用）、栈追踪真题
- 内存布局：text / static / heap / stack 四段、超过 8 个参数、堆的动态分配（malloc/free、内存泄漏、悬空指针）