计算机是如何工作的

存储程序计算机工作模型

• 冯诺依曼体系结构就是指存储程序计算机
  
  • 从硬件上，CPU和内存由总线连接，CPU上有一个寄存器叫IP（Instruction Pointer），64位下叫rip， 可以认为是一个指针，总是指向内存中的代码段（cs code segment），cpu从IP指向的内存地址取来一条指令执行，执行完后，IP自加一，取下一条指令继续执行。
  • 从程序员来看，内存有指令和数据，cpu抽象成一个for循环，从内存取下一条指令，解释执行指令
• 32位下， eip每一次自加到下一条指令，因为指令长度是不同的，eip除了可以自加外，可以被call，ret， jmp和条件跳转改变（对应c里的if-else，函数调用，return等）

寄存器

• 32位下有8个通用寄存器
  
  • eax 累加器
  • ebx 基地址寄存器
  • ecx 计数寄存器
  • edx 数据寄存器
  • ebp 堆栈基指针（寄存器）
  • esi edi 变址寄存器
  • esp 堆栈顶寄存器
• 段寄存器
  
  • cs 代码段寄存器，其值为代码段的段值
  • ds 数据段寄存器，其值为数据段的段值
  • es 附加段寄存器，其值为附加段的段值
  • ss 堆栈段寄存器，其值为堆栈段的段值
  • fs 附加段寄存器，其值为附加数据段的段值
  • gs 附加段寄存器，其值为附加数据段的段值

cpu在实际取指令时根据cs：eip来准确定位一个指令
每一个进程都有自己的堆栈

• 寻址方式
  
  • movl %eax, %edx
    
    • edx = eax; 寄存器寻址
  • movl $0x123, %edx
    
    • edx = 0x123 立即寻址，立即数是以$开头的数值
  • movl 0x123, %edx
    
    • edx = (int32_t)0x123 直接寻址 直接访问一个指定的内存地址的数据
  • movl (%ebx), %edx
    
    • edx = (int32_t)ebx 间接寻址 将寄存器的值作为一个内存地址来访问内存
  • movl 4(%ebx), %edx
    
    • edx = (int32_t)(ebx + 4) 变址寻址（displaced） 在间接寻址之时改变寄存器的数值
• 常用指令
  
  • pushl %eax
    
    • subl $4, %esp
    • movl %eax, (%esp)
  • popl %eax
    
    • movl (%esp), %eax
    • addl $4, %esp
  • call 0x12345
    
    • pushl %eip
    • movl $0x12345, %eip
  • ret
    
    • popl %eip
      eip寄存器不能被程序员直接修改，只能通过特殊指令间接修改
  • enter
    
    • pushl %ebp
    • movl %esp, %ebp
  • leave
    
    • movl %ebp, %esp
    • popl %ebp

汇编一个简单的c程序

int g(int x){    return x + 5;}int f(int x){    return g(x);}int main(){    return f(3) + 9;}

1. 通过gcc -S -o main.s main.c -m32 生成的汇编的代码，所有以.开头的都是用于链接的辅助信息，不会被实际执行
2. 注释从main函数看起，遇到call x则跳转到该函数x，ret之后返回到call x的下一条指令
3. 内存中栈是从高地址向低地址增长的
4. 从main开始，eip会自动指向吓一跳指令，或者由指令修改
5. 函数调用堆栈是由逻辑上多个堆栈叠加起来的，ebp指向堆栈栈底，esp指向栈顶，堆栈是相对的，因为每个函数都有自己的基地址
6. 函数的返回值默认使用而eax寄存器存储返回给上一级函数

g:    pushl   %ebp    movl    %esp, %ebp    movl    8(%ebp), %eax   #将f传来的参数放到eax，即eax = 8    addl    $5, %eax        #eax = 8 + 3 = 11    popl    %ebp            #将调用g的函数ebp给pop回来，即ebp指回f的栈基址    ret                     #popl %eip，此时eip指回调用该函数的下一条指令f:    pushl   %ebp            #将ebp压栈    movl    %esp, %ebp      #修改ebp的值，此时ebp和esp指向同一个位置    pushl   8(%ebp)         #取ebp+8里的数，即将main调用f时传进的3压栈，相当于subl $4, %eax movl 8(%ebp) %eax movl %eax (%esp)    call    g               #pushl %eip,跳转到g继续执行    addl    $4, %esp        #对应于上面的pushl 8(%ebp)感觉这句话可以不用，因为下面有个leave    leave                   #把esp指向ebp的位置    ret                     #popl %eip，eip指回调用它的函数的下一条指令main:                       #eip最初指向main    pushl   %ebp            #将ebp压栈    movl    %esp, %ebp      #修改ebp的值，此时ebp和esp指向同一个位置    pushl   $3              #将esp减掉4，然后将3压栈    call    f               #pushl %eip，此时压入的eip指向的是下一行，然后eip指向了f，跳转到f继续执行    addl    $4, %esp    addl    $9, %eax    leave                   #回到main函数最初的状态    ret                     #返回到main函数之前的堆栈

总结

计算机系统是由硬件和系统软件组成的，它们共同工作来运行应用程序。虽然系统的具体实现方式随着时间不断变化，大师系统内在的概念没有变化。所有计算机系统都有相似的硬件和软件组件，它们执行着相似的课程。
本次课程使我重新复习了汇编程序设计，并对c语言和汇编的对应有了更深一步的了解，让我能更看清楚自己所写的c语言代码在内存中的表示方式。并且从汇编代码看起来，cpu作加载（从主存复制一个字节或者一个字寄存器）、存储（从寄存器复制一个字节或者一个字到主存某个位置）、操作（作算术运算）、跳转等功能，和主存之间的行为通过总线相连。