深入理解计算机系统之程序的机器级表示部分学习笔记

Posted 2020-09-05 辛侠平

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了深入理解计算机系统之程序的机器级表示部分学习笔记相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

不论我们是在用C语言还是用JAVA或是其他的语言编程时，我们会被屏蔽了程序的机器级的实现。机器语言不需要被编译，可以直接被CPU执行，其执行速度十分快。但是机器语言的读写性与移植性较高级语言低。高级语言被编译后便成为了汇编语言，汇编语言十分接近机器语言。之后汇编代码会转化为机器语言。虽然现代的编译器能帮助我们将高级语言转化为汇编语言，解决了不少问题，但是对于一个严谨的程序员来说，需要做到能够阅读和理解汇编语言。我们主要围绕Intel来讲解。

一 Intel处理器的历史演变

Intel处理器最的早是8086，它是十六位的微处理器，作为第一代单芯片，8086知名度是相当的高。之后又有80286、i386、i486、Pentium、PentiumPro、 Pentium/MMX、PentiumⅡ、PentiumIII等等的一系列处理器出现了。每个时间上相继的处理器都是向后兼容的。Intel称其指令集为IA32，也就是Intel32位体系结构，也就是我们平常所说的x86。

二程序编码

我们写一个C程序，用Unix命令行编译p1.c和p2.c两个文件。即为

unix> gcc -02 -o p p1.c p2.c

其中-02 告诉编译器使用第二级优化。而二级优化则是在性能优化与使用方便之间一个最好的权衡。所以代码经常使用二级优化。

(1)机器级代码

一些通常对C程序进行屏蔽的处理器：

程序计数器(%eip)、整数寄存器、条件码寄存器、浮点寄存器

(2)代码示例

int accum = 0;

int sum(int x, int y)
{
     int t = x+y;
     accum+=t;
     return t;
}

　在命令行上使用 “-S”选项，

unix〉gcc -02 -S code.c

　就能看到编译器产生的汇编代码：

sum:
       pushl %ebp
       movl %esp , %ebp
       movl 12(%ebp) , %eax
       addl 8(%ebp) , %eax
       addl %eax , accum
       movl %ebp , %esp
       popl %ebp
       ret

　如果对code.c 使用“-c”选项则会产生一个二进制的文件code.o

unix〉gcc -02 -c code.c

　code.o里面的是汇编指令的目标代码。

当然我们可以使用反汇编器来将目标代码转化为汇编代码：

unix〉objdump -d code.o

三数据格式

四访问信息

这是IA32中央处理器所包含的一组八个存储单元的32位存储器。前六个是通用寄存器，对它们的使用没有限制。前三个寄存器(%eax,%ecx,%edx)的保存和恢复惯例不同于接下来的三个寄存器(%ebx,%esi,%edi)。最后两个寄存器保存着指向程序栈重要位置的指针，称为栈指针和帧指针。数据存放在寄存器中进行加减乘除等一些操作。原来的寄存器是16位的所以如图所示蓝色部分是0-15，之后寄存器进行了扩充，变成了32位的即0-31。

(1) 操作数指示符

操作数被分成三种类型：立即数、寄存器、存储器引用。我们来看看一些不同的寻址模式

(2) 数据传输指令

我们来看看一些常见的汇编程序的数据传送指令

movb、movsbl和movzbl之间的差别如下：

假设 %dh =8D,%eax=98765432

 movb %dh ,%a1           %eax=9876548D
 movsbl %dh , %eax      %eax=FFFFFF8D
 movzbl %dh,%eax         %eax=0000008D

在以上的例子中都是将寄存器%eax 的低位字节设置为%edx 的第二个字节。movb指令不改变其他三个字节。根据原字节的最高为，movsbl指令将其他三个字节设为全1或全0。movzbl指令无论如何都是将其他三个字节设为全0。

pushl 与popl是用来将数据压入栈中和从栈中弹出数据的。它们两个的指令都只有一个操作数，即它们所要压入或者弹出的数据。将一个双字值压入栈中，首先要将栈指针减4，然后将值写入到新的栈顶地址。弹出一个双字的操作是从栈顶位置读出数据，然后将栈指针加4。

五算术与逻辑操作

我们来看看一些双字整数的操作