How the Computer Works

姓名：殷晓婷           学号：SA*****195

一、实验内容：

1.请使用Example的c代码分别生成.cpp，.s，.o和ELF可执行文件，并加载运行，分析.s汇编代码在CPU上的执行过程；

2.通过实验解释单任务计算机是怎样工作的，并在此基础上讨论分析多任务计算机是怎样工作的。

二、实验过程

1）分析.s汇编代码在CPU上的执行过程，Example的c代码（命名为test.c）如图1所示：

                                       图1

gcc编译过程可划分为以下四个阶段：1.预处理阶段，生成文件*.cpp；2.编译成汇编代码，生成文件*.s；3.汇编成目标代码，生成文件*.o；4.链接成可执行文件

1.预处理

gcc -E -o test.cpp test.c

2.编译成汇编代码

gcc -x cpp-output -S -o test.s test.cpp

3.汇编成目标代码

gcc -x assembler -c test.s -o test.o

4.链接成可执行文件

gcc -o test test.o

                                                            图2

test.s汇编代码如图3所示：

                                                      图3  

在CPU上的执行过程分析如下：

执行main函数，保存当前栈基地址（pushl %ebp），将esp寄存器的值赋给ebp寄存器（movel %esp，%ebp），即栈基指针与栈顶指针指向同一栈地址，再将栈顶指针向下移（sub $4，%esp），将8压栈（movl $8，(%esp)），调用函数f()，堆栈变化如下图所示：

ebp1(esp)—> |ebp|       ebp1—> |ebp|

                                      esp —>  |  8  |

调用函数f()，保存eip寄存器的值，将f的地址赋给eip寄存器，执行f函数，保存当前栈基址（pushl %ebp），将esp寄存器的值赋给ebp寄存器（movl %esp，%ebp），再将栈顶指针向下移（sub $4，%esp），将%ebp+8栈地址中的值赋给eax寄存器（movl 8(%ebp)，%eax），再将eax中的值保存到栈中（movl %eax，(%esp)），调用函数g()，堆栈变化如下图所示：

ebp1—>.|ebp|                                 |ebp| 

              |  8  |                                 |  8   |

esp —>  |[eip]|                                 |[eip]|

                                           ebp2—>|ebp1|

                                            esp—> |   8   |

调用函数g()，保存eip寄存器的值，将f的地址赋给eip寄存器，执行g函数，保存当前栈基址（pushl %ebp），将esp寄存器的值赋给ebp寄存器（movel %esp，%ebp），将%ebp+8栈地址中的值赋给eax寄存器（movl 8(%ebp)，%eax），eax寄存器加3（addl $3，%eax），弹出值赋给ebp（popl %ebp），返回（pop %eip），堆栈变化如下图所示：

                        |ebp|                         |ebp|

                        |  8   |                         |  8   |

                        |[eip]|                         |[eip]|

                        |ebp1|       ebp2—> |ebp1|            

                        |  8   |         esp —>  |  8   |

                        |[eip]|

      ebp3(eip)—>|ebp2|

返回到f函数，继续执行，将ebp的值赋给esp，弹出值赋给ebp（leave），返回（pop %eip），堆栈变化如下图所示：

ebp1—> |ebp|

 esp —> |  8   |

返回到main函数，继续执行，eax寄存器加1（addl $1，%eax），leave，ret，最终eax寄存器中的值为13。

2）单任务和多任务计算机的工作原理

单任务：当任务的程序代码放入内存时，CPU一条语句一条语句的执行，执行函数时，如遇到调用函数，则通过栈先把当前环境保存，再执行调用函数，新函数对应一个逻辑上的新栈。依次类推，直到程序执行完。任务完成。

多任务：多任务计算机将多个任务分时执行，通过CPU时间片轮转，分给每个任务特定的时间。执行任务1时，和单任务计算机的工作工程一样。当执行任务1的时间片到了时，保存当前环境，然后CPU转而执行任务2。这样循环，直到任务全被处理完。