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  • 从后向前计算所有梯度(链式法则传导计算),结果在所有方向上梯度,即所有因素对结果的影响;损失函数对于每个节点梯度值(自上游传递) 对于每个节点来说向下传导梯度值等于上游梯度值乘本地梯度值 eg2 ...

    第四章 反向传播

    4.1 反向传播

    最小化损失函数–梯度下降迭代
    计算图的框架:用图来表示函数
    反向传播技术:递归地调用链式法则,计算图中每个变量的梯度

    反向传播的工作:用图来表示函数;利用已知值进行前向传播,计算中间值;每个节点起一个名字,并找到表达式;从后向前计算所有梯度(链式法则传导计算),结果在所有方向上的梯度,即所有因素对结果的影响;损失函数对于每个节点的梯度值(自上游传递)
    对于每个节点来说向下传导的梯度值等于上游梯度值乘本地梯度值
    eg2
    Jacobian?L2范数计算
    当输入x和参数w为向量时,需要针对每个元素考虑对上游的影响

    前向传播计算节点输出(save中间值),反向传播计算梯度(使用中间值)

    模块化设计

    4.2 神经网络

    2-layer Neural Network f=W2max(0,W1x)
    线性层、简单函数、堆叠、多阶段分层计算
    W2是所有种类W1的加权
    h是非线性部分结束后的值(非线性部分在这里是max(0,W1x))
    神经元的激活机制(细胞体、树突、轴突)、激活函数
    非线性机制、ReLu

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    当影响因变量的因素是多个时候,这种一个变量同时与多个变量的回归问题就是多元回归,分为:多元线性回归和多元非线性回归。这里直说多元线性回归。对比一元线性回归:

    1.1多元回归模型:

    1.2多元回归方程

    1.3估计的多元回归方程

    2.1**对参数的最小二乘法估计:** 和一元线性回归中提到的最小二乘法估计一样、这不过这里的求导变量多了点、原理是一样的、这里需要借助计算机求导、就不写了。

    3 回归方程的拟合优度:

    3.1

    多重判定系数:(Multiple coefficient of determination)

    注解:

    (1

    )对于多重判定系数有一点特别重要的需要说明:自变量个数的增加将影响到因变量中被估计的回归方程所解释的变量数量。当增加自变量时,会使预测误差变得较小,从而减小残差平方和SSE。自然就会是SSR变大。自然就会是R2变大。这就会引发一个问题。如果模型中增加一个自变量,即使这个自变量在统计上并不显著,R2的值也会变大。因此为了避免这个问题。提出了调整的多种判定系数(adjusted

    multiple coefficient of

    determination):

    R2a同时考虑了样本量(n)和模型中自变量的个数(k)的影响,这就使得R2a的值永远小于R2,而且R2a的值不会因为模型中自变量的个数增多而逐渐接近于1. (2

    )R2的平方根成为多重相关系数,也称为复相关系数,它度量了因变量同k个自变量的相关程度。 3.2 估计标准误差

    4. 显著性检验

    在此重点说明,在一元线性回归中,线性关系的检验(F检验)和回归系数的检验(t检验)是等价的。

    但是在多元回归中,线性关系的检验主要是检验因变量同多个自变量线性关系是否显著,在k个自变量中,只要有一个自变量与因变量的线性关系显著,F检验就能通过,但这不一定意味着每个自变量与因变量的关系都显著。回归系数检验则是对每个回归系数分别进行单独的检验,它主要用于检验每个自变量对因变量的影响是否都显著。如果某个自变量没有通过检验,就意味着这个自变量对因变量的影响不显著,也许就没有必要将这个自变量放进回归模型中。 4.1 线性关系的检验

    步骤: (1):提出假设

    (2):计算检验的统计量F.

    (3):作出统计决策。 4.2 线性关系的检验

    步骤: (1):提出假设

    (2):计算检验的统计量F.

    (3):作出统计决策。

    5.1 多重共线性

    多重共线性:当回归模型中两个或两个以上的变量彼此相关时,则称回归模型中存在多重共线性。 多重共线性的判别:

    (1)模型中中各对自变量之间显著相关 (2)当模型的线性关系检验(F检验)显著时,几乎所有的回归系数βi的t检验却不显著。 (3)回归系数的正负号与预期的相反。 (4)容忍度(tolerance) 与 方差扩大因子(variance inflation factor,

    VIF). 容忍度:某个变量的容忍度等于 1

    减去该自变量为因变量而其他k−1个自变量为预测变量时所得到的线性回归模型的判定系数。即1−R2i。

    容忍度越小,多重共线性越严重。通常认为 容忍度小于 0.1 时,存在严重的多重共线性。 方差扩大因子:容忍度的倒数。 因此,VIF越大,多重共线性越严重,一般认为VIF的值大于10时,存在严重的多重共线性。

    5.2 多重共线性的处理

    常见的两种办法: (1)将一个或多个相关的自变量从模型中剔除,使保留的自变量尽可能不相关。 (2)如果要在模型中保留所有的自变量,那么应该: (2.1)避免根据t统计量对单个参数β进行检验, (2.2)对因变量y值的推断(预测和估计)限定在自变量样本值的范围内。

    5.3选择变量避免共线性的几种方式,

    在建立回归模型时,我们总是希望用最少的变量来说明问题,选择自变量的原则通常是对统计量进行显著性检验,检验的根据是:将一个或一个以上的自变量引入回归模型中时,是否使残差平方和(SSE)显著减少,如果增加一个自变量使残差平方和(SSE)显著减少,则说明有必要将这个变量引入回归模型中,否则,没有必要将这个变量引入回归模型中。确定在模型中引入自变量xi是否使残差平方和(SSE)显著减少的方法,就是使用F统计量的值作为一个标准,以此来确定在模型中增加一个自变量,还是从模型中剔除一个自变量。 变量选择方式:

    5.3.1 向前选择;

    第一步:

    对k个自变量分别与因变量y的一元线性回归模型,共有k个,然后找到F统计量的值最大的模型及其自变量xi并将其首先引入模型。 第二步:

    在已经引入模型的xi的基础上,再分别拟合xi与模型外的k−1个自变量的线性回归模型,挑选出F值最大的含有两个自变量的模型,

    依次循环、直到增加自变量不能导致SSE显著增加为止, 5.3.2向后剔除

    第一步:先对所有的自变量进行线性回归模型。然后考察p

    第二步:考察p−1个再去掉一个自变量的模型,使模型的SSE值减小最少的自变量被挑选出来从模型中剔除,直到剔除一个自变量不会使SSE值显著减小为止,这时,模型中的所剩自变量自然都是显著的。 5.3.3逐步回归

    是上面两个的结合、考虑的比较全,以后就用这个就可以。

    具体的分析过程、咱们以spss的多元回归分析结果为例。

    展开全文
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  • 第二章 汇编语言

    2021-03-26 23:45:02
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    第二章 汇编语言

    1 CPU简介

    中央处理器(Central Processing Unit),结构密集、科技密集、经济密集

    CPU的基本组成部件

    时钟
    • 时钟是整个计算机运转的节拍器,机器指令的最小执行时间就是一个时钟周期
      • 模拟信号向数字信号的转换过程,就是在始终指导下的一个采样过程(Sampling),时钟的偏移将使数字信号失准
    • CPU的主频即为时钟频率,对CPU的整体性能具有直接影响。
      • CPU的位数也是影响CPU性能的主要因素之一
    算术逻辑单元
    • ALU,执行各种算术运算和逻辑运算
    • 随着各类运算任务的增加,出现了专用计算单元如浮点计算单元
    控制单元
    • CU是控制单元,是CPU的指挥中心,协调、控制各个指令执行的顺序,主要由下列部件构成
      • 指令寄存器(Instruction Register)
      • 指令译码器(Instruction Decoder)
      • 指令控制器(Operation Controller)
      • 指令指针寄存器(Extended Instruction Pointer)
    存储单元
    • 存储单元是CPU种暂时存放数据的地方,包括等待处理数据或数据处理结果等
      • 片上缓存或片内缓存,即On-Chip Cache,访问速度和存储容量均介于内存和存储器之间的告诉存储器件
      • 寄存器组,即Registers,最接近ALU的存储器件,访问速度最快,由于芯片面积和集成度限制,存储容量最小
        • 由于寄存器在芯片中的特殊地位,几乎所有汇编指令的执行均需要寄存器的协助,可以说寄存器是汇编语言的一部分

    SEQ处理器结构

    • 取指令(Fetch)
    • 指令解码(Decode)
    • 指令执行(Execute)
    • 内存访问(Memory)
    • 结果回写(Write back)
    • 指令指针寄存器更新(PC update)

    现代处理器为了提高执行效率,通常采用流水线结构执行指令(Pipelined implementation)


    总线

    • 总线在物理上是若干根用于连接其他芯片的导线
    • 在逻辑上分为地址总线、数据总线、控制总线
      • 地址总线:
        • CPU要将内存中的指令和数据取出,就必须访问内存中的地址,当CPU访问内存中的某个地址时,地址线上就会保持着那个地址值
        • 地址总线能表示多少个不同的数值,这个CPU就能访问多少内存地址
          • 宽度为N的地址总线,它能够寻址的空间为0~2^N-1
      • 数据总线
        • 在CUP和内存中传输指令和数据
      • 控制总线
        • 控制总线是不同控制线的集合,是一个总称
        • 有多少条控制总线,就意味着CPU能够对外界提供多少种控制
        • 控制总线的宽度决定了CPU控制外界设备的能力

    原理图

    在这里插入图片描述


    2 寄存器

    什么是寄存器

    • 寄存器(Register)是中央处理器(CPU)内部的组成部分
    • 寄存器是有限存储容量的高速存储部件,它们可用来暂存指令、数据和地址
    • 寄存器是计算机系统结构下存储结构下存储层次的最顶端,也是系统中操作数据的最快速路径

    段的概念

    物理地址=基础地址(段地址x16)+偏移地址

    编程时,将若干地址连续的内存单元看作一个段,一个段的起始地址一定是16的倍数

    偏移地址位16位,16位地址的寻址能力是64KB,所以一个段的长度最大为64KB

    寄存器分类

    IA-32架构提供了16个基本程序执行寄存器,用户系统和应用程序编程

    16个寄存器被分为四类

    通用寄存器(General-purpose registers)

    32位CPU通用寄存器共有8个,可以用于传送和暂存以下数据

    • 逻辑和算术运算的操作数
    • 用于地址计算的操作数
    • 内存指针

    通用寄存器分类

    • EAX:累加寄存器,是操作数和结果数据的累加器
    • EBX:基址寄存器,指向DS段(数据段)中数据的指针
    • ECX:计数寄存器,是字符串和循环操作的计数器
    • EDX:数据寄存器,IO指针

    以上4个寄存器主要用于算术运算(ADD/SUB/XOR/OR等)指令中,常用来保存常量与变量的值

    • ESI:字符串操作源指针,源变址寄存器
    • EDI:字符串操作目的指针,目的变址寄存器

    ESI和EDI与特定的串操作指令(MOVS/LODS/STOS)一起使用,在字符串操作的时候用的比较多

    存放存储单元在段内的偏移量,用它们可实现多种存储器操作数的寻址方式,为通过多种方式访问存储单元提供便利

    • ESP:栈顶指针寄存器,用于存放当前堆栈的栈顶地址,专门用作堆栈指针,不可做为一般通用寄存器使用
    • EBP:栈底指针寄存器(基址指针寄存器),表示栈区域的基地址,永远指向当前函数栈底位置,不可作为一般通用存储器使用
    段寄存器(Segment registers)

    物理地址=段基址(段地址*10H)+偏移地址

    CS:最关键的寄存器之一,Code Segment,代码段寄存器,存放应用程序代码所在段的段基址

    DS:Data Segment,数据段寄存器,用于存放数据段的段基址

    SS:Stack Segmeng,堆栈段寄存器,用于存放栈段的段基址

    ES、FS、GS,附加数据段寄存器,用于存放程序使用的附加数据段的段基址

    程序状态与控制寄存器(EFLAGS)

    也称标志寄存器,主要有三种作用

    • 存储相关指令的某些执行结果
    • 为CPU执行相关指令提供行为依据
    • 控制CPU的相关工作方式

    大小为4个字节, 共有32个位元,每一位都有专门的含义,记录特定的信息,每位的值为1或0,代表On/Off或True/False

    包含一组状态标志、一个控制标志和一组系统标志

    一些标志可以使用专用指令直接修改,但是没有指令可以将整个寄存器进行检查或修改

    32位标志可以分为4类:

    • 系统标志(8,9,14,16,17,18,19,20,21)和IOPL(I/O Privilege Level)字段(12,13)
      • 控制操作系统或执行操作,应用程序不能修改以上标志位
    • 方向标志(DF:10)控制串操作指令的处理方向,DF=0从低地址到高地址;DF=1从高地址到低地址
    • 状态标志(0,2,4,6,7,11):表示算数指令的运算结果,如ADD、SUB、MUL和DIV指令;和应用程序状态密切相关
    • 预留标志位(1,3,5,15,22-31)

    关于状态标志

    • 0/CF:
      • 进位标志位,一般情况下在进行无符号数运算的时候,它记录了运算结果的最高有效位向更高位的进位值,或从更高位的借位值
      • 在加法运算中,若运算结果从字或字节位的最高位产生了进位,则CF=1,否则CF=0
      • 在减法运算中,若被减数无借位,则CF=0,否则CF=1
    • 11/OF
      • 溢出标志位,一般情况下,OF记录了有符号运算的结果是否发生了溢出
      • 如果发生了溢出,OF=1;如果没有发生溢出,OF=0

    OF和CF所表示的溢出和进位,是分别针对有符号数和无符号数运算而言的,一定要分清楚CF和OF的发生条件

    • 4/AF
      • 辅助进位标志位,发生以下情况时,辅助进位标志AF的值被置为1,否则置为0
        • 在字操作时,发生低字节向高字节进位或借位时
        • 在字节操作时,发生低4位向高4位进位或借位时
    • 2/PF
      • 奇偶标志位,记录相关指令执行后,其结果的最低有效字节中1的个数是否为偶数
      • 如果1的个数为偶数,PF=1;如果1的个数为奇数,PF=0
    • 7/SF
      • 符号标志位,记录相关指令执行后,其结果是否为负
      • 当操作数为有符号数时,若结果为复数,SF=1;若结果为非负数,SF=0
    • 6/ZF
      • 零标志位,记录相关指令执行后,其结果是否为0;若运算结果为0,则其值为1,否则其值为0
    指令指针寄存器(EIP register)

    EIP:Extended Instruction Pointer

    在16位系统中:

    • 保存着CPU下一条将要执行的指令的偏移量(offset),这个偏移量是相对于目前正在运行的代码段寄存器CS而言的
    • 偏移量加上当前代码段的基地址,就形成了下一条指令的地址

    在32位系统中

    • 它的大小为32位,是由原来的16位IP寄存器扩展而来
    • 往往直接保存CPU下一条将要执行指令的地址

    程序运行时,CPU会读取EIP中一条指令的地址,将指令传送到指令缓冲区后,EIP的值自动增加

    CPU每次执行完一条指令,就会通过EIP寄存器读取并执行下一条指令

    不能直接修改EIP的值,只能通过其他指令间接修改,这些特定指令包括JMP、JC、CALL、RET,可以通过中断或异常来修改EIP的值

    3 x86指令集

    一条汇编指令的标准格式

    [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Gb2ci9jI-1616773584156)(https://i.loli.net/2021/03/26/EhgQWoHMPYVtq4r.png)]

    汇编代码的组成部分:操作码、操作数

    根据指令功能的分类

    数据传送指令

    不能用于设置CS、IP的值

    数据转送指令可以将数据、地址或立即数传送到寄存器或存储单元中;大部分这类指令不影响状态标志位,部分涉及标志寄存器FLAGS的指令(SAHF和POPF)例外

    • 通用数据传送指令
      • 数据传送指令

    MOV:把源操作数(OPS)传送到目的操作数(OPD)

    MOVSX:带符号扩展传送

    MOVZX:带零扩展传送

    格式:MOV(MOVSX/MOVZX)DEST,SRC

    例:MOV EAX,EDX;寄存器EDX->EAX的数据传送。

    MOVSX EAX,BL;将80H扩展为FFFFFF80H后送EAX中

    MOVZX AX,BL;将80H扩展为0080H后送AX中。

    注意:两个存储单元之间不能直接进行数据传送;两个段寄存器之间不能直接进行传送信息,但可以用CPU内部寄存器为桥梁来完成这样的传送;

    立即数、代码段寄存器CS只能作源操作数

    立即数不能送段寄存器

    IP寄存器不能作源操作数或目的操作数

      • 堆栈操作指令
      • 数据交换指令
    • 地址传送指令
    • 标志寄存器传送指令

    *可以修改CS、IP的内容的指令

    jmp 段地址:偏移地址

    如:jmp 2AE3:3,执行后,CS=2AE3H,IP=0003H,CPU将从2AE33H处读取指令

    若想仅修改IP的内容,可用指令jmp 某一合法寄存器完成,用寄存器中的值修改IP

    *查看CPU和内存,用机器指令和汇编指令编程

    cmd-debug

    1. 用r命令查看、改变CPU寄存器的内容

      -r		//查看寄存器内容
      -r ax	//修改ax寄存器内容
      
    2. 用d命令查看内存的内容

      -d 段地址:偏移地址
      -d //列出后续的内容
      -d 段地址:起始偏移地址 结尾偏移地址
      
    3. 用e改写内存中的内容

      -e 起始地址 数据 数据.....
      

      可以用来向内存中写入机器码

    4. 用u命令查看内存单元中的汇编指令

    5. 用t命令执行写入的及其指令

    6. 用a命令以汇编的形式写入机器指令

      -a 1000:0//从该地址开始写
      
    • 数据交换指令:
      • XCHG:交换两操作数。允许通用寄存器之间,通用寄存器和存储器之间交换数据,
      • 指令格式:XCHG OPR1, OPR2
      • 两操作数不允许同时为存储器操作数,交换指令不影响标志位
    • 地址传送指令:
      • LEA(Load Effective Address):将源操作数的有效地址传送到通用寄存器
      • 指令格式:LEA REG, MEM
    • 标志寄存器传送指令
      • PUSHF:16位标志寄存器进栈
      • PUSHFD:32位标志寄存器进栈
      • POPF:16位标志寄存器出栈
      • POPFD:32位标志寄存器出栈
    算数运算指令
    • 加法指令

      • ADD:将源操作数和目的操作数相加,结果送到目的操作数

      • ADC:将源操作数与目的操作数以及CF值相加,结果传送到目的操作数

        • 指令格式:ADD(ADC) DEST, SRC
        • ADD,ADC指令影响的标志位是OF,SF,ZF,AF,PF,CF
      • INC:目的操作数加一,结果送入目的操作数

        • 目的操作数可以为通用寄存器或存储器操作数
        • 指令格式:INC DEST
    • 减法指令

      • SUB:将目的操作数减去源操作数,结果送入目的操作数
      • SBB:将目的操作数减去源操作数,再减去CF值,结果送入目的操作数
        • 指令格式:SUB(SBB) DEST, SRC
        • SUB,SBB指令影响的标志位是OF,SF,ZF,AF,PF,CF
      • DEC:目的操作数减一,结果送入目的操作数
        • 目的的操作数可以为通用寄存器或存储器操作数
        • 指令格式:DEC DEST
        • INC,DEC指令的影响的标志位OF,SF,ZF,AF,PF
    • 乘法指令

      • MUL:无符号数乘法指令,将源操作数和累加器中的目的操作数相乘,结果送入累加器
      • IMUL:有符号数乘法指令,将源操作数和累加器中的目的操作数相乘,结果送入累加器中
        • 指令格式:MUL(IMUL) SRC
        • MUL,IMUL指令的源操作数为通用寄存器或存储器操作数,目的操作数缺省存放在ACC累加器(AL,AX,EAX)中
    • 除法指令

      • DIV:无符号除法指令
      • IDIV:有符号除法指令
        • 指令格式:DIV(IDIV) SRC
        • DIV,IDIV指令的源操作数作为除数,为通用寄存器或存储器操作数,目的操作数作为被除数,目的操作数缺省存放在ACC累加器(AL,AX,EAX)中

    逻辑运算和移位指令

    逻辑运算

    • AND:逻辑与,目的操作数和源操作数按位进行逻辑与运算,结果存目的操作数

    • OR:逻辑或,目的操作数和源操作数按位进行逻辑或运算,结果存目的操作数

      • 源操作数可以是通用寄存器、存储器操作数或立即数,目的操作数可以是通用寄存器或存储器操作数
    • XOR:逻辑异或,目的操作数和源操作数按位进行逻辑异或运算,结果存目的操作数

      • 指令格式:AND(OR/XOR) DEST, SRC
    • NOT:逻辑非,对目的操作数按位取反,结果存入目的操作数。

      • 指令格式:NOT DEST
    • TEST:目的操作数与源操作数按位进行逻辑与运算,并修改标志位,结果不回送目的操作数

      • 指令格式:TEST DEST, SRC

      • TEST指令常用在检测某些条件是否满足,但又不希望改变原有操作数的情况下。紧跟在这条指令后面的往往是一条条件转移指令,根据测试结果产生分支,转向不同的处理程序

      • 例:

        TEST ECX, ECX
        JE Crackme.00401326;程序跳转到0x00401326处继续执行
        

    算术逻辑移位

    • SAR:算数右移
      • 按照操作数OPRD规定的移位位数,对目的操作数进行右移操作,每移一位,最低位移入标志位CF,最高位(符号位)保持不变。相当于对有符号数进行除2操作
    • SHR:逻辑右移
      • 按照操作数OPRD规定的移位位数,对目的操作数进行右移操作,每移一位,最低位移入标志位CF,最高位补0
      • 指令格式:SAR(SHR) DEST, OPRD
    • SAL:算数左移指令
    • SHL:逻辑左移指令
      • 指令格式:SAL(SHL) DEST, OPRD
      • SAL、SHL指令功能完全相同,按照操作数OPRD的规定的移位位数对目的操作数进行左移操作,每移一位,最低位补0,最高位移入标志位CF中
      • 算数移位:主要用来进行有符号数的倍增、减半
      • 逻辑移位:主要用来进行无符号数的倍增、减半
    • 循环移位:
      • ROL:循环左移
      • ROR:循环右移
      • 指令格式:ROL(ROR) DEST, OPRD

    串操作指令

    串指连续存放在存储器中的一些数据字节、字或双字;串操作允许程序对连续存放的数据块进行操作;串操作通常以DS:ESI来寻址源串,以ES:EDI来寻址目的串。

    • MOVS 目的串,源串
      • 字符串传送指令,把由ESI作指针的源串的字节或字,传送到由EDI作指针的目的串中
    • CMPS 目的穿,源串
      • 字符串比较指令,由DS:ESI规定的源串元素减去ES:EDI指出的目的串元素,结果不回送,仅影响标志位CF,AF,PF,OF,ZF和SF
    • SCAS 目的串
      • 串扫描指令,比较EAX中内容与目的串中内容进行比较,由EAX的内容减去ES:EDI规定的目的串元素,结果不回送,仅影响标志位CF,AF,PF,SF,OF,ZF
    • LODS 源串
      • 串装入指令,将DS:ESI所指的源串元素装入累加器EAX中
    • STOS 目的串
      • 串存储指令,将累加器EAX中值存入ES:EDI所指的目的串存储单元中

    控制转移指令

    无条件转移指令

    指令 说明
    JMP 无条件转移
    CALL 过程调用
    RET 过程返回

    条件转移指令

    • 条件转移指令是根据上一条指令执行后,CPU设置的状态标志作为判别测试条件,来决定是否转移,跳转的标志主要包括ZF,SF等
    • 每一种条件转移指令都有它的测试条件,当条件成立,便控制程序转向指令中给出的目的地址,否则,程序仍按照顺序执行
    • 根据单个标志位的状态判断转移的指令如下
    指令 转移条件 说明
    JC DEST CF=1 有进位/借位时转移
    JNC DEST CF=0 无进位/借位时转移
    JE/JZ DEST ZF=1 相等/等于零时转移
    JNE/JNZ DEST ZF=0 不相等/不等于零时转移
    JS DEST SF=1 是负数时转移
    JNS DEST SF=0 不是负数时转移
    JO DEST OF=1 有溢出时转移
    JNO DEST OF=0 无溢出时转移
    JP/JPE DEST PF=1 有偶数个1时转移
    JNP/JPO DEST PF=0 有奇数个1时转移

    循环控制指令

    这类指令用ECX计数器的内容控制循环次数,先将循环次数存放在ECX中,每循环一次ECX内容减1,直到ECX为0时循环结束

    • REP:当CX/ECX>0时重复
    • REPE/REPZ:当ZF=1或比较结果相等,且CX/ECX>0时重复
    • REPNE/REPNZ:当ZF=0或比较结果不相等,且CX/ECX>0时重复
    • REPC:当CF=1且CX/ECX>0时重复
    • REPNC:当CF=0且CX/ECX>0时重复

    处理器控制指令

    空操作指令

    • NOP(机器码0x90):空操作,除了使EIP增1外,不做任何操作

    中断指令

    • INTn:软件中断指令,也称为软中断指令,其中n为终端类型号,其值必须在0~255的范围内
    • 可以在编程时安排在程序中的任何位置上,因此也被称为陷阱中断

    浮点运算专用指令

    如果一条汇编指令以字母F开头,则其大概率为浮点运算指令,CPU中浮点运算单元主要负责处理此类指令;浮点运算过程相对封闭,与软件运行流程,内部逻辑之间的关系较弱


    4 寻址方式(Addressing Mode)

    处理器寻找指令和操作数的方式

    • 指令寻址:确定下一条要执行指令地址的方法
      • 顺序寻址:当程序不发生跳转时,通过EIP自加进行寻址的方式
      • 跳转寻址:当程序发生跳转时,下一条要执行的指令的具体地址由跳转指令给出
    • 操作数寻址:确定当前指令操作数地址方法
      • 立即寻址
        • 操作数直接放在指令中,紧跟在操作码之后,它作为指令的一部分存放在代码段中,这种操作数叫做立即数
        • 立即数寻址常用来给寄存器赋初值,不用访问寄存器,存储器,指令执行速度快
        • 例:MOV EAX, 26H;将一个立即数26H送到EAX寄存器中
      • 寄存器寻址
        • 操作数存放在寄存器中,指令执行时会到指定寄存器中取出相应的操作数,源和目的操作数都可以是寄存器,这种寻址方式由于操作数就在寄存器中,不需要访问存储器来取得操作数
        • 例:MOV EAX, EBX
        • 寄存器寻址只访问寄存器,不访问存储器,速度快

    段基址:在IA-32的保护模式下,段基址由16位的段选择符得到,这些段选择符存放在6个段寄存器(CS,SS,DS,ES,FS,GS)中

    有效地址EA=基址+变址*比例因子+位移量

    • 当采用16位寻址方式时,有效地址四种成分的组成为:
      • 基址寄存器:BX,BP
      • 变址寄存器:SI,DI
      • 比例因子:1
      • 位移量:0,8,16位
    • 当采用32位寻址方式时,有效地址四种成分的组成为
      • 基址寄存器:所有的32位通用寄存器
      • 变址寄存器:除ESP意外的32位通用寄存器
      • 比例因子:1,2,4,8
      • 位移量:0,8,16,32

    段超越前缀

    当使用内存操作数时,无论哪种内存操作数寻址都有默认的段寄存器,然而最多一个内存操作数可不适用默认段寄存器时,允许在程序中自行选择段寄存器,就需要使用段超越前缀.

    格式为: 段寄存器:指令操作数

    MOV EAX,ES:[EBP]

    以下情况不允许修改:

    • 串处理操作中目的串必须使用ES段,即默认为ES:EDI不可修改
    • 压栈,弹栈必须使用SS段,即默认为SS:ESP不可修改
    • 指令必须存放在CS段中

    • 直接寻址

      • 指令中直接包含有操作数的有效地址(偏移地址,DS加上指令中直接给出的16位偏移地址得到)
      • 示例:MOV AX,[1234H]
      • 假设DS=4567H,内存中[468A4H]=0001H,那么物理地址=[4567H]*16+[1234H]=[468A4H],那么寄存器AX=0001H
      • 因为默认的是DS寄存器,其实也可以指定前缀寄存器,即段超越前缀
        • MOV AX,SS:[1234H]
        • 把SS数据段中偏移地址为1234H的字复制到寄存器AX
    • 寄存器间接寻址

      • 操作数的有效地址在寄存器中,这种寻址方式为寄存器间接寻址
      • 如果操作数的有效地址在EAX,EBX,ECX,EDX,ESI,EDI中,以上寄存器默认使用DS作为段寄存器,即DS段寄存器为段基址
      • 如果操作数的有效地址在ESP,EBP,这两个寄存器默认使用SS作为段寄存器,即SS段寄存器为段基址
        • 例:MOV EAX,[EBP]
        • 把SS段中EBP指向的单元复制到EAX, (EAX)=(SS)*16+(EBP)
    • 寄存器相对寻址

      • 操作数的有效地址EA为基址寄存器或变址寄存器的内容和指令中的位移量之和
      • 例: MOV ECX, [EAX+24H]也可以写成MOV ECX 24H[EAX]
        • 由DS段中EAX指向的内容加上位移量24,最终组成操作数的有效地址
        • (ECX)=(DS*16+EAX+24H)
    • 基址变址寻址

      • 操作数的有效地址由基址寄存器的内容与变址寄存器的内容之和获得,通常将指令中的第二操作数的第一个寄存器作为基址寄存器,第二个寄存器作为变址寄存器;其中,ESP不能作为变址寄存器
      • MOV EAX, [EBX][ESI]也可以写成MOV EAX, [EBX+ESI];EBX为基址寄存器,ESI为变址寄存器,该指令将DS段中地址为EBX+ESI的存储单元的4字节数据送到EAX

      例题:MOV AX,[BX][DI],如(DS)=2100H, (BX)=0158H, (DI)=10A5H

      有效地址:EA=0158H+10A5H=11FDH;物理地址=21000H+11FDH=221FDH

    • 相对基址变址寻址

      • 操作数的地址为基址寄存器的内容,变址寄存器的内容和指令中的位移量之和, 常用于对二维数组的寻址
      • 例:MOV EAX 10H [EBX][ESI],或MOV EAX, [EBX+ESI+10H],或MOV EAX, 10H[EBX+ESI]将DS段中地址为EBX+ESI+10H的存储单元的4个字节数据送到EAX
    • 比例变址寻址

      • 由指令中的变址寄存器的内容乘以比例因子再加上位移量得到操作的有效地址
      • EA=变址寄存器*比例因子+位移量, 此寻址只有32位寻址一种情况
      • 例:MOV EAX, 1000H[ESI*4],DS段中地址为ESI所指向的内容乘4再加上1000H的内容形成有效地址
    • 基址比例变址寻址

      • 由指令中的变址寄存器的内容乘以比例因子,再加上基址寄存器的内容,得到操作的有效地址
      • EA=变址寄存器*比例因子+基址寄存器, 此寻址只有32位寻址一种情况
      • 例: MOV EAX, [EBX+ECX*4]MOV EAX,[EBX][ECX*4], 把由EBX+4*ECX之和寻址的DS段存储单元的4字节内容装入EAX
    • 相对基址比例变址寻址

      • EA是变址寄存器的内容乘指令中的比例因子,加上基址寄存器的内容,再加上位移量之和。
      • EA=变址寄存器*比例因子+基址寄存器+位移量
      • 例:MOV EAX, [EBP+EDI*2+2], 把由EBP+2+EDI*2寻址的SS段存储单元的4字节内容装入EAX

    实验步骤参考

    展开全文
  • 影响Oracle数据库应用系统性能的因素很多,既有软件方面的因素,也包括数据运行的硬件环境、网络环境、数据库管理和维护方面的因素等。数据库系统设计开发阶段是Oracle应用优化的最佳阶段,也是主动优化阶段,能达到...
    Oracle是目前使用最为广泛的大型数据库管理系统,提高Oracle数据库系统的运行效率,是整个计算机信息系统高效运转的前提和保证。影响Oracle数据库应用系统性能的因素很多,既有软件方面的因素,也包括数据运行的硬件环境、网络环境、数据库管理和维护方面的因素等。数据库系统设计开发阶段是Oracle应用优化的最佳阶段,也是主动优化阶段,能达到以最小成本获得最大性能增益的目的。通过对其逻辑存储结构和物理存储结构设计进行优化,使之在满足需求条件下,时空开销性能最佳,可以解决数据库系统运行过程中性能的渐进性下降或性能突降等问题,以保证系统运行的优良性能。

      Oracle数据库的逻辑结构和物理结构

      Oracle 数据库的逻辑结构是由一些数据库对象组成,如数据库表空间、表、索引、段、视图、存储过程、触发器等。数据库的逻辑存储结构(表空间等)决定了数据库的物理空间是如何被使用的,数据库对象如表、索引等分布在各个表空间中。

      Oracle 数据库的物理结构从操作系统一级查看,是由一个个的文件组成,从物理上可划分为:数据文件、日志文件、控制文件和参数文件。数据文件中存放了所有的数据信息;日志文件存放数据库运行期间产生的日志信息,它被重复覆盖使用,若不采用归档方式的话,已被覆盖的日志信息将无法恢复;控制文件记录了整个数据库的关键结构信息,它若被破坏,整个数据库将无法工作和恢复;参数文件中设置了很多Oracle 数据库的配置参数,当数据库启动时,会读取这些信息。

      逻辑结构的优化

      逻辑结构优化用通俗的话来说就是通过增加、减少或调整逻辑结构来提高应用的效率,下面通过对基本表的设计及索引、聚簇的讨论来分析ORACLE逻辑结构的优化。

      1、基本表扩展

      数据库性能包括存储空间需求量的大小和查询响应时间的长短两个方面。为了优化数据库性能,需要对数据库中的表进行规范化。一般来说,逻辑数据库设计满足第三范式的表结构容易维护且基本满足实际应用的要求。所以,实际应用中一般都按照第三范式的标准进行规范化,从而保证了数据库的一致性和完整性,设计人员往往会设计过多的表间关联,以尽可能地降低数据冗余。但在实际应用中这种做法有时不利于系统运行性能的优化:如过程从多表获取数据时引发大量的连接操作,在需要部分数据时要扫描整个表等,这都消耗了磁盘的I/O 和CPU 时间。

      为解决这一问题,在设计表时应同时考虑对某些表进行反规范化,方法有以下几种:一是分割表。分割表可分为水平分割表和垂直分割表两种:水平分割是按照行将一个表分割为多个表,这可以提高每个表的查询速度,但查询、更新时要选择不同的表,统计时要汇总多个表,因此应用程序会更复杂。垂直分割是对于一个列很多的表,若某些列的访问频率远远高于其它列,就可以将主键和这些列作为一个表,将主键和其它列作为另外一个表。通过减少列的宽度,增加了每个数据页的行数,一次I/O就可以扫描更多的行,从而提高了访问每一个表的速度。但是由于造成了多表连接,所以应该在同时查询或更新不同分割表中的列的情况比较少的情况下使用。二是保留冗余列。当两个或多个表在查询中经常需要连接时,可以在其中一个表上增加若干冗余的列,以避免表之间的连接过于频繁,一般在冗余列的数据不经常变动的情况下使用。三是增加派生列。派生列是由表中的其它多个列的计算所得,增加派生列可以减少统计运算,在数据汇总时可以大大缩短运算时间。

      因此,在数据库的设计中,数据应当按两种类别进行组织:频繁访问的数据和频繁修改的数据。对于频繁访问但是不频繁修改的数据,内部设计应当物理不规范化。对于频繁修改但并不频繁访问的数据,内部设计应当物理规范化。有时还需将规范化的表作为逻辑数据库设计的基础,然后再根据整个应用系统的需要,物理地非规范化数据。规范与反规范都是建立在实际的操作基础之上的约束,脱离了实际两者都没有意义。只有把两者合理地结合在一起,才能相互补充,发挥各自的优点。

      2、索引和聚簇

      创建索引是提高检索效率最有效的方法之一,索引把表中的逻辑值映射到安全的RowID,能快速定位数据的物理地址,可以大大加快数据库的查询速度,一个建有合理索引的数据库应用系统可能比一个没有建立索引的数据库应用系统效率高几十倍,但并不是索引越多越好,在那些经常需要修改的数据列上建立索引,将导致索引B*树的不断重组,造成系统性能的下降和存储空间的浪费。对于一个大型表建立的索引,有时并不能改善数据查询速度,反而会影响整个数据库的性能。这主要是和SGA的数据管理方式有关,Oracle在进行数据块高速缓存管理时,索引数据比普通数据具有更高的驻留权限,在进行空间竞争时,Oracle会先移出普通数据,对建有索引的大型表进行数据查询时,索引数据可能会用完所有的数据块缓存空间,Oracle不得不频繁地进行磁盘读写来获取数据,所以,在对一个大型表进行分区之后,可以根据相应的分区建立分区索引。

      Oracle提供了另一种方法来提高查询速度,就是聚簇(Cluster)。所谓聚簇,简单地说就是把几个表放在一起,按一定公共属性混合存放。聚簇根据共同码值将多个表的数据存储在同一个Oracle块中,这时检索一组Oracle块就同时得到两个表的数据,这样就可以减少需要存储的Oracle块,从而提高应用程序的性能。

      对于逻辑结构的优化,还应将表数据和索引数据分开表空间存储,分别使用独立的表空间。因为如果将表数据和索引数据放在一起,表数据的I/O操作和索引的I/O操作将产生影响系统性能的I/O竞争,降低系统的响应效率。将表数据和索引数据存放在不同的表空间中,并在物理层面将这两个表空间的数据文件放在不同的物理磁盘上,就可以避免这种竞争了。

      物理结构的优化

      数据库的数据最终是存储在物理磁盘上的,对数据进行访问就是对这些物理磁盘进行读写,因此对于这些物理存储的优化是系统优化的一个重要部分。对于物理存储结构优化,主要是合理地分配逻辑结构的物理存储地址,这样虽不能减少对物理存储的读写次数,但却可以使这些读写尽量并行,减少磁盘读写竞争,从而提高效率,也可以通过对物理存储进行精密的计算减少不必要的物理存储结构扩充,从而提高系统利用率。

      1、磁盘读写并行优化

      对于数据库的物理读写,Oracle系统本身会进行尽可能的并行优化,例如在一个最简单的表检索操作中,如果表结构和检索域上的索引不在一个物理结构上,那么在检索的过程中,对索引的检索和对表的检索就是并行进行的。

      2、操作并行优化

      操作并行的优化是基于操作语句的统计结果,首先是统计各个表的访问频率,表之间的连接频率,根据这些数据按如下原则分配表空间和物理磁盘,减少系统进程和用户进程的磁盘I/O竞争;把需要连接的表格在表空间/物理磁盘上分开;把高频访问的表格在表空间/物理磁盘上分开;把经常需要进行检索的表格的表结构和索引在表空间/物理磁盘上分开。

      3、减少存储结构扩展

      如果应用系统的数据库比较脆弱,并在不断地增长或缩小,这样的系统在非动态变化周期内效率合理,但是当在动态变化周期内的时候,性能却很差,这是由于Oracle的动态扩展造成的。在动态扩张的过程中,Oracle必须根据存储的要求,在创建行、行变化获取缺省值时,扩展和分配新的存储空间,而且表格的扩展往往并不是事情的终结,还可能导致数据文件、表空间的增长,这些扩展会导致在线系统反应缓慢。对于这样的系统,最好的办法就是在建立的时候预先分配足够的大小和合适的增长幅度。在一个对象建立的时候要根据应用充分地计算他们的大小,然后再根据这些数据来定义对象Initial、Next和Minextents的值,使数据库在物理存储上和动态增长次数上达到一个比较好的平衡点,使这些对象既不经常发生增长,也不过多地占用数据库。

      结论

      优化Oracle 数据库对提高计算机系统的可用性和效率,具有非常重要的意义, 特别是在Oracle数据库设计开发阶段,对逻辑结构和物理结构进行有效的优化设计,创建一个规划布局合理的数据库,可以获得最小的系统开销,能从根本上大大提高应用系统的整体性能,对于以后的数据库性能调整和利用都有很大的益处。
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