深刻淺出計算機組成原理學習筆記：第六講

1、CPU 是如何執行指令的？

一、軟件程序員的理解

寫好的代碼變成了指令以後、是一條條順序執行的就能夠了

二、CPU的邏輯組成

三、寄存器

N 個觸發器或者鎖存器，就能夠組成一個 N 位（Bit）的寄存器，可以保存 N 位的數據。比方說，咱們用的 64 位 Intel 服務器，寄存器就是 64 位的。

 

 

 四、特殊寄存器

五、CPU執行指令流程

一、CPU會根據PC寄存器裏的地址，從內存裏面把須要執行的指令讀取到指令寄存器裏面直面執行

二、而後根據指令長度自增、開始順序讀取下一條指令。能夠看到一個程序的一條條指令在內存裏面是連續保存的。也會一條條順序加載

三、而有些特殊指令(J類跳轉指令)、會修改寄存器裏面的地址

四、這樣下一條要執行的指令就不是從內存裏面順序加載的

五、事實上、這些跳轉指令存在，也就是咱們在寫程序的時候，使用了 if…else 條件語句和 while/for 循環語句的緣由

2、從 if…else 來看程序的執行和跳轉

[root@luoahong c]# cat test.c
#include <time.h>
#include <stdlib.h>


int main()
{
  srand(time(NULL));
  int r = rand() % 2;
  int a = 10;
  if (r == 0)
  {
    a = 1;
  } else {
    a = 2;
  }

咱們用 rand 生成了一個隨機數 r，r 要麼是 0，要麼是 1。當 r 是 0 的時候，咱們把以前定義的變量 a 設成 1，否則就設成 2。

[root@luoahong c]# gcc -g -c test.c
test.c: In function ‘main’:
test.c:15:3: error: expected declaration or statement at end of input
   }
   ^
[root@luoahong c]# cat -n test.c
     1	#include <time.h>
     2	#include <stdlib.h>
     3
     4
     5	int main()
     6	{
     7	  srand(time(NULL));
     8	  int r = rand() % 2;
     9	  int a = 10;
    10	  if (r == 0)
    11	  {
    12	    a = 1;
    13	  } else {
    14	    a = 2;
    15	  }

執行報錯，是由於少了一個}

[root@luoahong c]# cat test.c
#include <time.h>
#include <stdlib.h>


int main()
{
  srand(time(NULL));
  int r = rand() % 2;
  int a = 10;
  if (r == 0)
  {
    a = 1;
  } else {
    a = 2;
  }
}

[root@luoahong c]# gcc -g -c test.c
[root@luoahong c]# objdump -d -M intel -S test.o

test.o:     file format elf64-x86-64


Disassembly of section .text:

0000000000000000 <main>:
#include <time.h>
#include <stdlib.h>


int main()
{
   0:	55                   	push   rbp
   1:	48 89 e5             	mov    rbp,rsp
   4:	48 83 ec 10          	sub    rsp,0x10
  srand(time(NULL));
   8:	bf 00 00 00 00       	mov    edi,0x0
   d:	e8 00 00 00 00       	call   12 <main+0x12>
  12:	89 c7                	mov    edi,eax
  14:	e8 00 00 00 00       	call   19 <main+0x19>
  int r = rand() % 2;
  19:	e8 00 00 00 00       	call   1e <main+0x1e>
  1e:	99                   	cdq
  1f:	c1 ea 1f             	shr    edx,0x1f
  22:	01 d0                	add    eax,edx
  24:	83 e0 01             	and    eax,0x1
  27:	29 d0                	sub    eax,edx
  29:	89 45 fc             	mov    DWORD PTR [rbp-0x4],eax
  int a = 10;
  2c:	c7 45 f8 0a 00 00 00 	mov    DWORD PTR [rbp-0x8],0xa
  if (r == 0)
  33:	83 7d fc 00          	cmp    DWORD PTR [rbp-0x4],0x0
  37:	75 09                	jne    42 <main+0x42>
  {
    a = 1;
  39:	c7 45 f8 01 00 00 00 	mov    DWORD PTR [rbp-0x8],0x1
  40:	eb 07                	jmp    49 <main+0x49>
  } else {
    a = 2;
  42:	c7 45 f8 02 00 00 00 	mov    DWORD PTR [rbp-0x8],0x2
  }
}
  49:	c9                   	leave
  4a:	c3                   	ret

能夠看到，這裏對於 r == 0 的條件判斷，被編譯成了cmp 和 jne 這兩條指令。cmp 指令比較了先後兩個操做數的值，這裏的 DWORD PTR 表明操做的數據類型是 32 位的整數

而 [rbp-0x4] 則是一個寄存器的地址。因此，第一個操做數就是從寄存器裏拿到的變量 r 的值。第二個操做數 0x0 就是咱們設定的常量 0 的 16 進製表示。cmp 指令的比較結果，會存入到條件碼寄存器當中去。

在這裏，若是比較的結果是 True，也就是 r == 0，就把零標誌條件碼（對應的條件碼是 ZF，Zero Flag）設置爲 1。除了零標誌以外，Intel 的 CPU 下還有進位標誌（CF，Carry Flah）
符號標誌（SF，Sign Flag）以及溢出標誌（OF，Overflow Flag），用在不一樣的判斷條件下。

cmp 指令執行完成以後，PC 寄存器會自動自增，開始執行下一條 jne 的指令。

 

 

3、如何經過 if…else 和 goto 來實現循環？

[root@luoahong c]# cat test.c
int main()
{
    int a = 0;
    for (int i = 0; i < 3; i++)
    {
        a += i;
    }
}

[root@luoahong c]# gcc -g -c test.c
test.c: In function ‘main’:
test.c:4:5: error: ‘for’ loop initial declarations are only allowed in C99 mode
     for (int i = 0; i < 3; i++)
     ^
test.c:4:5: note: use option -std=c99 or -std=gnu99 to compile your code

錯誤：使用gcc編譯代碼會報錯：

緣由：這是由於gcc是基於c89標準，不能直接在for循環中初始化增量。而C99標準能夠在for循環內定義變量。

解決方法：

 咱們再看一段簡單的利用 for 循環的程序。咱們循環自增變量i 三次，三次以後，i>=3，就會跳出循環。整個程序，對應的 Intel 彙編代碼就是這樣的：

[root@luoahong c]# objdump -d -M intel -S test.o

test.o:     file format elf64-x86-64


Disassembly of section .text:

0000000000000000 <main>:
int main()
{
   0:	55                   	push   rbp
   1:	48 89 e5             	mov    rbp,rsp
    int a = 0;
   4:	c7 45 fc 00 00 00 00 	mov    DWORD PTR [rbp-0x4],0x0
    int i;
    for (i = 0; i < 3; i++)
   b:	c7 45 f8 00 00 00 00 	mov    DWORD PTR [rbp-0x8],0x0
  12:	eb 0a                	jmp    1e <main+0x1e>
    {
        a += i;
  14:	8b 45 f8             	mov    eax,DWORD PTR [rbp-0x8]
  17:	01 45 fc             	add    DWORD PTR [rbp-0x4],eax
    for (i = 0; i < 3; i++)
  1a:	83 45 f8 01          	add    DWORD PTR [rbp-0x8],0x1
  1e:	83 7d f8 02          	cmp    DWORD PTR [rbp-0x8],0x2
  22:	7e f0                	jle    14 <main+0x14>
    }
}
  24:	5d                   	pop    rbp
  25:	c3                   	ret

能夠看到，對應的循環也是用 1e 這個地址上的 cmp 比較指令，和緊接着的 jle 條件跳轉指令來、實現的。主要的差異在於，這裏的 jle 跳轉的地址，在這條指令以前的地址 14，而非 if…else 編
譯出來的跳轉指令以後。往前跳轉使得條件知足的時候，PC 寄存器會把指令地址設置到以前執行過的指令位置，從新執行以前執行過的指令，直到條件不知足，順序往下執行 jle 以後的指令，整個循環才結束。

其實，你有沒有以爲，jle和jmp指令，有點像邏輯程序裏面的goto命令，直接指定了一個特定條件下的跳轉位置