計算機是如何工做的？--經過彙編一個簡單的C程序，分析彙編代碼理解計算機是如何工做的

王康 原創做品轉載請註明出處 《Linux內核分析》MOOC課程 http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000

 

1 存儲程序計算機模型

cpu內部有寄存器ip，分別在16位叫 ip 32 eip 64rip

ip經過總線指向代碼段一個地址，取過來一條指令執行；

執行完以後ip取下一條指令自加一繼續指向。

硬件來看：馮諾依曼通用

軟件程序員來看：

內存存儲指令和數據，cpu執行指令

cpu識別什麼樣的指令？

API:程序員與計算機接口界面

ABI:二進制接口，程序與CPU接口界面---彙編指令---

----指令中涉及一個寄存器，內存地址

1 eip自加一，是加一條指令而不是地址加一（由於指令長度可能不一樣）；

2 eip能夠被CALL,RET,JMP指令能夠修改eip

注意：
1.程序員不能夠直接修改IP的值，只能經過一些指令，如CALL、RET、JMP等間接修改IP的值
2.IP在32位機器中表示爲eip（本次實驗以32位做爲分析），在64位機器中表示爲rip。

 

 

2 x86彙編基礎

開頭e爲32位 ebx+ecx偏移地址  ebp esp堆棧  

以上爲通用寄存器，還有段寄存器

還有一個標誌寄存器

64位差異不大，通用寄存器擴展到64位，前邊帶R就是擴展了的

還增長了一些64位的MMX的寄存器。

使用只是寄存器名字不同，機制差異不大

movl 32位 movb8位 movw16位 mowq 64位

$0x123 16進制的數值放到edx裏邊，也和內存沒有關係

沒有$就表示一個地址放到，後邊就是c語言相同表示:

將0x123數值強制轉化爲32位的一個int變量指針，再用*取他指向的值

能夠看到c語言模式同樣的，也是轉地址

push 把eax壓倒堆棧棧低，等同於：esp是堆棧棧低，減4,4字節就是32位，且堆棧是向下增加。最後把eax壓入

pop：把棧頂數值放入eax，而後把esp加四，向上回退

call:把當前eip壓棧保存起來，賦了一個新值

ret:pop eip實際就是執行了一個call，call到了函數定義的位置。

pop就是把call時候保存的eip再返回到eip指令當中來，繼續執行當時函數調用的下下一跳指令.

(*)意思是僞指令，不能被程序員直接修改

好比call指令，ret指令

push eip（*）意思是把當前eip值壓入；而ret： pop eip時候會把彈出的值自動賦值到eip寄存器

 

 

3 彙編一個簡單的c程序分析其彙編指令執行過程

吧當前main.c編譯爲32位。-S爲生成編譯文件

main.s全部用.開頭是鏈接時候輔助信息

這兩條能夠認爲是宏指令，一個是函數調用一個是函數退出，正好相反

 

實驗分析：

第二條和第一條就是enter

call f：對應push eip（執行這個動做時候eip實際指向的下一條地址）和mov f地址到eip

能夠看到指向了23位置

執行f：10行代碼之後：

12條是把8賦值給eax，eax = 8

13條把8放到了標號5的位置

call g ：push eip（此時eip應該是15行代碼位置）；

執行第三行後：

pop ebp實際就是把ebp 4 內容放回ebp，效果就是ebp又指向原來4的位置，

一樣esp要減4又指向6號標號位置

ret--- pop eip：esp指向標號5位置同時eip指向了15（call下一條指令）

最後leave。esp和ebp都指向4

pop後esp+4指向3位置

最後ret。

eip指向了23，

addl：eax是默認返回值，eax = 12

leave：最後都指向1，再pop ebp，則均指向0

有兩點須要注意的地方：

1 函數調用之因此把8放到下一個棧幀ebp+8的位置是由於參數位置是緊跟下一個方法調用棧幀位置，例如當前ebp和esp之間空出了2個位置，那麼8參數要放到靠下緊貼下一個方法調用棧幀位置

2 另外eax是調用者保存寄存器caller save，因此過程當中不須要去管eax

 

 

四、實驗總結–對計算機如何工做的理解
1.計算機的基本原理是存儲程序和程序控制，預先要把指揮計算機如何進行操做的指令序列（稱爲程序）和原始數據經過輸入設備輸送到計算機內存貯器中。每一條指令中明確規定了計算機從哪一個地址取數，進行什麼操做，而後送到什麼地址去等步驟。
計算機在運行時，先從內存中取出第一條指令，經過控制器的譯碼，按指令的要求，從存儲器中取出數據進行指定的運算和邏輯操做等加工，而後再按地址把結果送到內存中去。接下來，再取出第二條指令，在控制器的指揮下完成規定操做。依此進行下去。直至遇到中止指令。簡單來講就是CPU負責處理和運算，存儲器負責保存指令和數據。經過操做系統得調度和安排，不停地進行取址、譯碼、執行的循環。
2.彙編代碼是什麼？
計算機語言的發展過程從機器語言（計算機能直接識別的二進制0和1的組合）->彙編語言（爲了減輕使用機器語言編程的痛苦，人們進行了一種有益的改進：用一些簡潔的英文字母、符號串來替代一個特定的指令的二進制串，依賴於硬件）->高級語言（接近於數學語言或人的天然語言，同時又不依賴於計算機硬件，編出的程序能在全部機器上通用）。
咱們編寫了一個小程序，好比上面實驗中寫到的main.c文件，編譯器執行的過程，可執行的二進制文件是計算機「認識」的文件，能夠直接執行。 3.以上即是我對此次實驗的總結，計算機很「單純」，它能夠執行不少複雜的指令，但它也是被「告訴」要執行什麼，纔會去執行什麼，經過對彙編語言的分析能夠方便咱們理解計算機處理的過程，瞭解計算機如何工做等等。感謝爲咱們辛苦準備課程的老師！