计组笔记第四章——指令系统

4.4.1 指令格式

  • 指令（又称机器指令）：
    是指示计算机执行某种操作的命令，是计算机运行的最小功能单位。
    一台计算机的所有指令的集合构成该机的指令系统，也称为指令集。
    注：一台计算机只能执行自己指令系统的指令，不能执行其他指令系统的指令。如x86架构和ARM架构。

指令格式：

  • 一条指令就是机器语言的一个语句，它是一组有意义的二进制代码。
  • 一条指令通常要包括操作码字段和地址码字段两个部分。
    操作码（op）：指明用户要干什么。
    地址码（A）：指明对谁进行操作。
  • 由于不同指令的操作不同，一条指令可能包含的地址码个数也不同，可能为0、1、2、3、4个地址码。根据地址码数目不同，可以将指令分为零地址指令、一地址指令、二地址指令……

零地址指令

  1. 不需要操作数，如空操作、停机、关中断等指令
  2. 堆栈计算机，两个操作数隐含存放在栈顶和次栈顶，计算结果压回栈顶。例如数据结构的“后缀表达式的计算”。

一地址指令

  1. 只需要单操作数，如加1、减1、取反、求补等
    指令含义：\(OP(A_1) \rightarrow A_1\)
    对\(A_1\)进行操作之后得到的结果存回\(A_1\)的存储单元。
  2. 需要两个操作数，但其中一个操作数隐含在某个寄存器（如ACC）
    指令含义：\((ACC)OP(A_1) \rightarrow ACC\)
    完成一条指令需要2次访存，取指令和读\(A_1\)
    注：\(A_1\)是某个主存地址，\((A_1)\)表示\(A_1\)所指向的地址中的内容。

二、三地址指令

  • 二地址指令：常用于需要两个操作数的算术运算、逻辑运算相关指令
    指令含义：\((A_1)OP(A_2) \rightarrow A_1\)
    完成一条指令需要访存4次，取指、读\(A_1\)、读\(A_2\)、写\(A_1\)
  • 三地址指令：常用于需要两个操作数的算术运算、逻辑运算相关指令
    指令含义：\((A_1)OP(A_2) \rightarrow A_3\)
    最终运算结果存到\(A_3\)中。
    完成一条指令需要访存4次，取指、读\(A_1\)、读\(A_2\)、写\(A_3\)

四地址指令

  • 指令含义：\((A_1)OP(A_2) \rightarrow A_3\)，\(A_4\) = 下一条将要执行指令的地址
    完成一条指令需要访存4次，取指、读\(A_1\)、读\(A_2\)、写\(A_3\)
  • 正常情况下：取指令之后PC+1,指向下一条指令
    四地址指令：执行指令后，将PC的值修改为\(A_4\)所指的地址。
  • 地址码的位数对指令的执行有什么影响吗？
    n位地址码的直接寻址范围 = \(2^n\)
    若指令总长度固定不变，则地址码数量越多，寻址能力越差。

指令分类

指令——按指令长度分类

  • 指令字长：一条指令的总长度（可能会变），半字长指令、单字长指令、双字长指令表明指令长度是机器字长的多少倍。
  • 机器字长：CPU进行一次整数运算所能处理的二进制数的位数（通常和ALU直接相关，是固定不变的）
  • 存储字长：一个存储单元中的二进制代价位数（通常和MDR位数相同，固定不变）
  • 如果某个计算机指令系统中所有指令的长度相等，则成为定长指令字结构
  • 如果某个计算机指令系统中所有指令的长度不相等，则成为变长指令字结构

指令——按操作码长度分类

  • 定长操作码：指令系统中所有指令的操作码长度都相同。如果操作码长度为n位，则最多表示\(2^n\)条指令。
    控制器的译码电路设计简单，但灵活性较低。
  • 可变长操作码：指令系统中各指令的操作码长度可变。
    控制器的译码电路设计复杂，但灵活性高。
  • 扩展操作码指令格式：
    定长指令字结构 + 可变长操作码

指令——按操作类型分类

  1. 数据传送：
    LOAD: 作用：把存储器中的数据放到寄存器中
    STORE: 作用：把寄存器中的数据放到存储器中
  2. 算术逻辑操作：
    算术：+、-、*、/、+1、-1、求补、浮点运算、十进制运算
    逻辑：&、|、！、异或、位操作、位测试、位清除、位求反
  3. 移位操作：
    算术移位、逻辑移位、循环移位（带进位和不带进位）
  4. 转移操作：
    无条件转移: JMP
    条件转移：JZ：结果为0时转移；JO：结果溢出时转移；JC结果有进位时转移
    调用和返回：CALL和RETURN
    陷阱（Trap）与陷阱指令
  5. 输入输出操作：
    CPU寄存器与IO端口之间的数据传送（端口即IO接口中的寄存器）
  • 上面的5条可被分为4类：
    数据传送类（进行主存与CPU直接的数据传送）：1
    运算类：2、3
    程序控制类（改变程序的执行顺序）：4
    输入输出类（进行CPU和I/O设备之间的数据传送）：5

4.1.2 扩展操作码指令格式

扩展操作码

  • 扩展操作码举例：
    指令字长为16位，每个地址码占4位：
    前4位为基本操作码字段OP，另有3个4位长的地址字段：\(A_1\)、\(A_2\)和\(A_3\)。
    4位基本操作码若全部用于3地址指令，则有16条。
    但至少须将1111留作扩展操作码之用，即三地址指令为15条：
    0000 \(A_1\) \(A_2\) \(A_3\) 到
    1110 \(A_1\) \(A_2\) \(A_3\)
    二地址指令可以有8位操作码，1111 1111留作扩展，其余二地址指令有15条：
    1111 0000 \(A_2\) \(A_3\) 到
    1111 1110 \(A_2\) \(A_3\)
    一地址指令可以有12位操作码，1111 1111 1111留作扩展，其余一地址指令有15条：
    1111 1111 0000 \(A_3\) 到
    1111 1111 1110 \(A_3\)
    零地址指令的后4位可以取全0到全1共十六种状态，零地址指令共16条：
    1111 1111 1111 0000 到
    1111 1111 1111 1111
  • 在设计扩展操作码指令格式时，必须注意以下两点：
    • 不允许短码是长码的前缀，即短操作码不能与长操作码的前面部分代码相同。
    • 各指令的操作码不能重复。
  • 通常情况下，对使用频率较高的指令，分配较短的操作码；对使用频率较低的指令，分配较长的操作码，从而尽可能减少指令译码和分析的时间。
  • 根据上面的结论，设计另一种扩展操作码：
    设指令长度固定为16位，试设计一套指令系统满足：
    • 有15条三地址指令：
      0000 \(A_1\) \(A_2\) \(A_3\) 到
      1110 \(A_1\) \(A_2\) \(A_3\)
    • 有12条二地址指令：
      以1111开头
      1111 0000 \(A_1\) \(A_2\) 到
      1111 1011 \(A_1\) \(A_2\)
    • 有62条一地址指令：
      以1111 11开头
      1111 1100 0000 \(A_1\) 到
      1111 1111 1101 \(A_1\)
    • 有32条零地址指令：
      以1111 1111 111开头
      1111 1111 1110 0000 到
      1111 1111 1111 1111
  • 设地址长度为n，上一层留出m种状态，下一层可扩展出\(m \times 2^n\)种状态。
  • 扩展操作码的优点：在指令字长有限的前提下仍保持比较丰富的指令种类
  • 扩展操作码的缺点：增加了指令译码和分析的难度，使控制器的设计复杂化。

4.2.1 指令寻址

如何确定下一条指令的存放地址？

顺序寻址

一般情况下，下一条指令的地址：\((PC) + 1 \rightarrow PC\)
注： 按存储字长编址时(PC) + 1, 如果按字节编址，需要(PC) + 存储字长/8

跳跃寻址

由转移指令指出
如果这条指令时条约指令，根据指令的要求修改PC。如JMP指令类似C语言里的goto，它会把这条指令后的PC改为规定的值，之后直接跳转到对应指令。

4.2.2 数据寻址

数据寻址：确定本条指令的地址码指明的真实地址。
指令的地址码有很多种解读方式，有可能是逻辑地址、物理地址还可能是偏移量。所以给定的地址码到底该怎么解读呢？
数据寻址的方式有如下10种：

  • 给指令加上寻址特征字段，寻址特征字段负责说明后面的形式地址对应的寻址方式。寻址方式和寻址特征的对应关系如下图：
    知识总览
    通过形式地址求出的操作数的真实地址，称为有效地址（EA），形式地址用(A)表示。
    多地址指令每个地址之前都要加寻址特征。
  • 在后续的内容中，假设指令字长 = 机器字长 = 存储字长。
    假设操作数为3.

直接寻址

  • 指令字中的形式地址A就是操作数的真实地址EA，即EA = A。
  • 如：LOAD 寻址特征 A
    这条指令就是把主存地址为A的数据存到寄存器ACC中。
    这条指令的执行共需访存2次：
    取指令 访存一次；
    执行指令 访存一次。
  • 优点：简单，指令执行阶段只需访问一次主存，不需要专门计算操作数的地址。
    缺点：A的位数决定了该指令操作数的寻址范围不会很大。而且操作数地址不易修改。

间接寻址

  • 间接寻址：指令的地址字段给出的形式地址不是操作数的真正地址，二十操作数有效地址所在的存储单元的地址。也就是操作数地址的地址，即EA = (A)
  • 间接寻址示意图（一次间址）：
    间接寻址示意图
  • 不考虑存指令执行结果的情况下，采用一次间址的间接寻址方式，一条指令的执行共访存3次。取指令访存1次，执行指令访存2次。
  • 间接寻址示意图（两次间址）：
    两次间址示意图
  • 间接寻址的优点：可扩大寻址范围（有效地址的位数可能大于形式地址A的位数）
  • 便于编制程序（用间接寻址方式可以方便的完成子程序的返回。）
  • 缺点：指令在执行阶段要多次访存，指令的执行效率变低（一次间址需要两次访存，多次寻址需要根据存储字的最高位确定几次访存。）

寄存器寻址

  • 寄存器寻址：在指令字中直接给出操作数所在的寄存器编号，即\(EA = R_i\)，其穿在身上在由\(R_i\)所指的寄存器内。
  • 一条指令的执行（不考虑）存结果，共访存1次：取指令访存1次，执行指令访存0次。
  • 优点：指令在执行阶段不访问主存，只访问寄存器，指令字短且执行速度快，支持向量和矩阵运算。
  • 缺点：寄存器价格昂贵，计算机中寄存器数量有限。

寄存器间接寻址

  • 寄存器间接寻址：寄存器\(R_i\)中给出的不是一个操作数，二十操作数所在主存单元的地址，即\(EA = (R_i)\)
  • 寄存器间接寻址示意图如下：
    寄存器间接寻址示意图
  • 不考虑存结果，一条指令的执行需要访存两次：取指令1次，执行指令访存1次。
  • 比一般的间接寻址速度更快，但指令的执行阶段需要访问主存（因为操作数在主存中）

隐含寻址

  • 隐含寻址：不是明显地给出操作数的地址，而是在指令中隐含着操作数的地址。
  • 隐含寻址可以将另一个操作数隐含在ACC中，以ADD指令为例，隐含寻址的示意图如下：
    隐含寻址的示意图
  • 优点：有利于缩短指令字长
  • 缺点：需要增加存储操作数或隐含地址的硬件。

立即寻址

  • 立即寻址：形式地址A就是操作数本身，又称为立即数，一般采用补码形式。立即寻址的寻址特征用#表示。
  • 不考虑存结果，一条指令的执行共访存1次：取指令1次，执行指令0次。
  • 优点：指令执行阶段不访问主存，指令执行时间最短。
  • 缺点：A的位数限制了立即数的范围。
    如A的位数为n，且立即数采用补码表示，可表示的数据范围为\(-2^{n-1}\)~\(2^{n-1}-1\)

相对寻址

  • 属于偏移寻址的一种
  • 相对寻址：有效地址是以程序计数器PC所指地址作为“起点”，加上偏移量A。A可正可负，补码表示。
  • EA = (PC) + A
  • 相对寻址的示意图如下：
    相对寻址的示意图
  • 注：相对寻址是基于下一条指令的偏移，因为每条指令取出之后PC都会+1，所以(PC) + A相当于在下一条指令的基础上偏移了A。
  • 优点：这段代码在程序内浮动时不用更改跳转指令的地址码。相对寻址广泛应用于转移指令。
  • 拓展：ACC加法指令的地址码可采用“分段”方式解决，即程序段和数据段分开。

基址寻址

  • 属于偏移寻址的一种
  • 基址寻址：有效地址是以程序的起始存放地址作为“起点” ，加上偏移量A。将CPU内部基址寄存器（BR，base address register）的内容+指令格式中的形式地址A，而形成操作数的有效地址。
  • EA = (BR) + A
  • 基址寻址示意图：
    基址寻址示意图
  • 当计算机内部没有专用的寄存器BR时，就会采用通用寄存器作为基址寄存器。
    这种情况下需要在指令中指明，要将哪个通用寄存器作为基址寄存器使用。示意图如下：
    基址寻址无专用寄存器
  • 程序运行前，CPU将BR的值修改为该程序的起始地址（存在操作系统PCB中）
  • 注：基址寄存器是面向操作系统的，其内容由操作系统或管理程序确定。在程序执行过程中，基址寄存器的内容不变，形式地址可变。当某个通用寄存器被用户指定为基址寄存器后，其内容仍由操作系统确定，用户不可修改。
  • 优点：便于程序“浮动”，方便实现多道程序并发运行。可扩大寻址范围，用户不必考虑自己的程序存在主存的哪个位置。

变址寻址

  • 属于偏移寻址的一种
  • 变址寻址：有效地址是以程序员自己决定从哪里作为“起点”，加上偏移量A。有效地址EA等于指令字中的形式地址A与变址寄存器IX的内容之和，EA = (IX) + A，其中IX为变址寄存器（专用），也可用通用寄存器作为变址寄存器。
  • 注：基址寻址和变址寻址的区别是：变址寄存器是面向用户的，在程序执行过程中，变址寄存器的内容可由用户改变。变址寻址过程中，IX一般被视作偏移量，形式地址A不变（作为基地址）
  • 优点：在处理数组元素时，可设定A为数组首地址，不断改变变址寄存器IX的内容，便可很容易形成数组中任意数据的地址，特别适合编制循环程序。
  • 实际应用中往往需要多种寻址方式复合使用（可理解为复合函数）

堆栈寻址

  • 堆栈寻址：操作数存放在堆栈中，隐含使用堆栈指针(SP，stack pointer)作为操作数地址。
  • 堆栈是存储器（或专用寄存器组）中一块特定的按“后进先出（LIFO）”原则管理的存储区，该存储区中被读/写单元的堆栈是用一个特定的寄存器给出的，该寄存器称为堆栈指针。
  • 入栈/出栈时EA的确定方式不同。
    出栈时SP指向EA，入栈的时候先要把(SP)+1，之后的地址才是要写入的地址
  • 硬堆栈用寄存器实现，在指令执行期间不访存，软堆栈用主存实现，在指令执行期间访存1次。

扩展：硬件如何实现数的比较

  • 通过cmp指令，比较a和b，实际上就是做a-b
  • 相减的结果信息会记录在程序状态字寄存器（PSW）中
    PSW中有几个比特位记录上次运算的结果：
    • 进位/借位标志CF: 最高位有进位/借位时CF = 1
    • 零标识ZF：运算结果为0则ZF = 1, 否则ZF = 0.
    • 符号标志SF: 运算结果为负，SF = 1,否则为0
    • 溢出标志OF: 运算结果有溢出OF = 1, 否则为0.
  • 根据PSW的某几个标志位进行条件判断，来决定是否转移。

4.3.1 高级语言与机器代码之间的对应

机器语言和汇编语言都是机器级代码

考试要求

  1. 只需关注x86汇编语言；
  2. 题目若给出某段简单程序的C语言、汇编语言、机器语言表示。能结合C语言看懂汇编语言的关键语句（常见指令、选择结构、循环结构、函数调用）
  3. 汇编语言、机器语言一一对应，要能结合汇编语言分析机器语言指令的格式、寻址方式
  4. 不会考：将C语言人工翻译为汇编语言或机器语言。

汇编语言基础知识

x86汇编语言指令基础

  • 指令的作用：处理数据 和 改变程序执行流
  • 对于处理数据功能：
    指令格式 = 操作码 + 地址码
    操作码决定怎么处理数据
    地址码决定数据在哪（寄存器，主存或者指令里）
  • 以mov指令为例：
    mov 目的操作数d(destination), 源操作数s(source)
    mov指令功能：将源操作数s复制到目的的操作数d所指的位置。
    mov eax, ebx #将寄存器ebx的值复制到寄存器eax中
    mov eax, 5 #将立即数5复制到寄存器eax中
    mov eax, dword ptr[af996h] #将内存地址af996h所指的32bit值复制到寄存器eax中
    mov byte ptr[af996h], 5  #将立即数5复制到内存地址af996h所指的一字节中
  • 如何指明内存的读写长度？
    • dword ptr —— 双字，32bit
    • word ptr —— 单字，16bit
    • byte ptr —— 字节，8bit
  • x86架构CPU有哪些寄存器？
    x86寄存器以E开头都表示32位。如果把E去掉，表示使用寄存器的低16位。
    AX = AH + AL, BX = BH + BL ...
    AL是寄存器低8位，AH是寄存器9~16位。
    • 通用寄存器(X = 存放内容未知，E = Extended = 32bit):
      EAX EBX ECX EDX
    • 变址寄存器(I = Index, S = Source, D = Destination):
      ESI EDI
      用来处理线性表和字符串。
    • 堆栈基指针(Base Pointer):
      EBP
    • 堆栈顶指针(Stack Pointer):
      ESP
  • 更多例子：
mov eax, dword ptr[ebx] #将ebx所指主存地址的32bit复制到eax寄存器中
mov dword ptr[ebx], eax #将eax的内容复制到ebx所指主存地址的32bit
mov eax, byte ptr[ebx] #将ebx所指的主存地址的8bit复制到eax
mov eax, [ebx] #若未指明主存读写长度，默认32bit
mov [af996h], eax #将eax的内容复制到af996h所指的地址（未指明长度默认32bit）  
mov eax dword ptr[ebx+8] #将ebx+8所指主存地址的32bit复制到eax寄存器中
mov eax, dword ptr[af996h-12h] #将af996-12所指的主存地址的32bit复制到eax寄存器中

常用的x86汇编指令

算术运算指令

下表中的d是目的操作数，s是源操作数。指令的功能是两个操作数运算之后再存回目的操作数的地址里。d可能是寄存器或主存，s可以是立即数、主存、寄存器。

功能 汇编指令 英文 注释
加 add d, s add #计算d+s, 结果存入d
减 sub d, s subtract #计算d-s, 结果存入d
乘 mul d, s / imul d, s multiply #无符号数d*s, 乘积存入d; #有符号数d*s, 乘积存入d
除 div s / idiv s divide 被除数默认放在edx和eax两个寄存器中。#无符号数除法edx:eax/s, 商存入eax, 余数存入edx; #有符号数除法
取负数 neg d negative #将d取负数，结果存入d
自增++ inc d increase #将d++, 结果存入d
自减-- dec d decrease #将d--, 结果存入d

常见逻辑运算指令

常见逻辑运算指令

其他指令

  • 用于实现分支结构、循环结构的指令：cmp、test、jmp、jxxx
  • 用于实现函数调用的指令：push、pop、call、ret
  • 用于实现数据转移的指令：mov

AT&T格式和Intel格式

AT&T格式通常在Unix、Linux中使用
Intel是Windows的常用格式。

  • AT&T格式的Intel格式的区别：
    AT&T格式的Intel格式的区别

选择语句的机器级表示

  • 无条件跳转指令 —— jmp
    由于不能确定每次程序要跳转到哪里，所以jmp后面跟的数字可以用“标号”代替。下面进行举例(第一段代码的行首数字是指令地址)：
100 mov eax, 7
104 mov ebx, 6
108 jmp 116
112 mov ecx, ebx
116 mov ecx, eax

上面的代码可以用下面代码代替：

mov eax, 7
mov ebx, 6
jmp NEXT
mov ecx, ebx
NEXT:  
mov ecx, eax
  • 条件转移指令 —— jxxx
cpm a, b #比较a,b两个数

je <地址> #jump when equal, 若a==b则跳转
jne <地址> #jump when not equal, 若a!=b则跳转
jg <地址> #jump when greater than, 若a>b跳转
jge <地址> #jump when greater than or equal to, 若a>=b跳转
jl <地址> #jump when less than, 若a<b跳转
jle <地址> #jump when less than or equal to, 若a<=b跳转
  • 扩展：cmp指令的底层原理
    本质上是进行a-b运算，并生成标志位OF、ZF、CF、SF
    其中:
    OF: 溢出标志
    ZF：符号标志
    SF：零标志
    CF：进位/错位标志
    上面的条件转移指令的条件判断依据如下：
cpm a, b #比较a,b两个数

je <地址> #jump when equal, ZF==1?
jne <地址> #jump when not equal, ZF==0?
jg <地址> #jump when greater than, ZF==0 && SF==OF?
jge <地址> #jump when greater than or equal to, SF==OF?
jl <地址> #jump when less than, SF!=OF?
jle <地址> #jump when less than or equal to, SF!=OF || ZF==1?

循环语句的机器级表示

对于下面C语言代码：

int result = 0;
int i = 1;
while(i <= 100) {
    result += i;
    i++;
}

编译成汇编语言如下：

mov eax, 0 #eax保存result，初值为0
mov edx, 1 #edx保存i, 初值为1
cmp edx, 100 #比较i和100
jg L2 #若i > 100, 跳转到L2执行
L1: #循环主体
add eax, edx #实现result += i
inc edx #inc 自增指令，实现i++
cmp edx, 100 #比较i和100
jle L1 #若i<=100, 跳转到L1执行
L2: #跳出循环主体
  • 总结：用条件转移指令实现循环，需要4个部分构成：
    • 循环前的初始化
    • 是否直接跳过循环？
    • 循环主体
    • 是否继续循环？
  • 还可以用loop指令实现循环，代码如下：
for(int i = 500; i > 0; i--) {
    做某些处理
}

对应汇编语言如下：

mov ecx, 500 #用ecx作为循环计数器
Looptop: #循环开始
...
做某些处理
...
loop Looptop #ecx--, 若ecx!=0, 跳转到Looptop

理论上，能用loop指令实现的功能一定能用条件转移指令实现
使用loop指令可能会使代码更清晰简洁

Call和ret指令

  • 函数调用的机器级表示
  • 以下面函数调用为例：
    在函数调用的过程中，系统会给函数分配一片内存区域，称为函数调用栈。栈底保存一些关于硬件和系统的信息，每一个程序都是从main函数进入的，所以在硬件和系统信息之上存放main的栈帧（保存函数大括号以内定义的局部变量、保存函数调用相关信息），main()中调用了P函数，所以main的栈帧上面有P的栈帧。P()中调用了Q(), 再把Q的栈帧压入函数调用栈，Q()执行结束后，Q的栈帧将从栈顶删除，P()又调用了caller函数，再把caller的栈帧压栈。caller函数大括号内定义了temp1、temp2和sum这三个变量，这些变量就存放在Caller的栈帧里。caller调用了add函数，add函数的栈帧压入栈顶。add函数执行完毕后出栈，当前执行的函数（caller）栈帧位于栈顶。后面逐渐执行，每个函数的栈帧依次出栈。
void main() {
    ...
    P();
    ...
    return;
}

void P() {
    ...
    Q();
    ...
    caller();
    ...
    return;
}

void Q() {
    ...
    return;
}

int caller() {
    int temp1 = 125;
    int temp2 = 80;
    int sum = add(temp1, temp2);
    return sum;
}

int add(int x, int y) {
    return x+y;
}
  • x86汇编语言的函数调用
    caller和add的函数汇编代码如下：
caller: 
push edp
mov ebp, esp
sub esp, 24
mov [ebp-12], 125
mov [ebp-8], 80
mov eax, [ebp-8]
mov [esp+4], eax
mov eax, [ebp-12]
mov esp, eax
call add
mov [ebp-4], eax
mov eax, [ebp-4]
leave
ret

add:
push ebp
mov ebp, esp
mov eax, [ebp+12]
mov edx, [ebp+8]
add eax, edx
leave 
ret

汇编语言中，会用call和ret指令实现函数的调用。
通常用函数名作为函数起始地址的标号。

  • call指令的作用：
    • 将IP（PC）旧值压栈保存（保存在函数的栈帧顶部）
    • 设置IP新值，无条件转移至被调用函数的第一条指令。
  • ret指令的作用：
    从函数栈帧的顶部找到IP旧值，将其出栈并恢复IP寄存器。

如何访问栈帧

  • 函数调用的机器级表示
  • 为什么函数调用栈在画的时候栈底在上面，栈顶在下面？
    函数调用栈
    对于一个32位的系统，OS会给每个进程分配4GB的虚拟空间。地址从0x0000 0000到0xFFFF FFFF.高地址的1GB为OD内核曲，低地址的3GB为用户区。函数调用栈在用户区的高地址处，向低地址区延伸。如下图所示：
    4GB的虚拟空间
  • 标记栈帧范围：EBP、ESP寄存器
    寄存器EBP是堆栈基指针，指向栈顶的函数栈帧的底部，ESP是堆栈顶指针，指向栈顶。
  • 访问栈帧数据：push和pop指令
    push和pop指令实现入栈、出栈操作，x86默认以4字节为单位。
    push X #先让ESP-4，再将X压入
    pop Y #栈顶元素出栈写入Y，再让ESP+4
    注：X可以是立即数、寄存器、主存地址
    Y可以是寄存器、主存地址
  • 访问栈帧数据：mov指令
    通过sub和add指令改变栈顶指针的指向，用mov把栈中元素复制出来或者把别的地方的元素复制到栈里。

如何切换栈帧

  • 函数调用的机器级表示
    根据caller和add的代码分析：
caller: 
push edp
mov ebp, esp
sub esp, 24
mov [ebp-12], 125
mov [ebp-8], 80
mov eax, [ebp-8]
mov [esp+4], eax
mov eax, [ebp-12]
mov esp, eax
call add
mov [ebp-4], eax
mov eax, [ebp-4]
leave
ret

add:
push ebp
mov ebp, esp
mov eax, [ebp+12]
mov edx, [ebp+8]
add eax, edx
leave 
ret

caller函数的call语句执行后会把当前的IP值压栈。esp-4, 指向当前IP值。之后跳转到add函数中，add的开始语句是push ebp和mov ebp, esp先把caller函数的ebp压栈，然后把让ebp和esp指向都指向栈顶。每一个函数开头都有这样的指令。保存上一层函数的栈帧基址，并设置当前函数的栈帧基址。
push ebp和mov ebp, esp这两条汇编指令也可以合起来叫enter。
函数返回时如何切换栈帧？

mov esp, ebp #让esp指向当前栈帧的底部
pop ebp #将esp所指元素出栈，写入寄存器ebp

这两条指令可以用leave代替。
ret指令的作用：从函数的栈帧顶部找到IP旧值，将其出栈并恢复IP寄存器。

如何传递参数和返回值

  • 函数调用的机器级表示
  • 一个函数的栈帧内部可能包含哪些内容？
    • 栈帧最底部保存上一层栈帧基址（ebp旧值）
    • 栈帧最顶部一定是返回地址（当前函数的栈帧除外）
    • 通常将局部变量集中存储在栈帧底部区域。
      C语言中越靠前定义的局部变量越靠近栈顶。
    • 通常将调用参数集中存储在栈帧顶部区域。
      参数列表中越靠前的参数越靠近栈顶。
    • gcc编译器将每个栈帧大小设置为16B的整数倍（当前函数的栈帧除外），所以栈帧内可能出现空闲未使用的区域。
  • 所以在调用函数传参的时候需要先将参数的值存到栈帧顶部的区域。
  • 内层函数给外层函数返回值的时候通过eax寄存器，先将返回值存到eax寄存器中，然后再将eax寄存器里的值复制到外层函数的对应位置。
  • 如果调用者用到了一些寄存器，被调用的函数也可能用到，则可以把这些寄存器压栈保存，等被调函数返回后再出栈还原。所以函数调用栈可能还有一部分区域用于保存一些寄存器的值。

4.4 CISC和RISC

CISC

CISC：Complex Instruction Set Computer 复杂指令集的计算机系统
设计思路：一条指令完成一个复杂的基本功能
代表：x86架构，主要用于笔记本、台式机等。

RISC

RISC: Reduced Instruction Set Computer 精简指令集的计算机系统
设计思路：一条指令完成一个基本“动作”；多条指令组合完成一个复杂的基本功能，语句相对简单，便于实现“并行”、“流水线”
代表：ARM架构，主要用于手机、平板等

CISC和RISC的对比

对比项目 CISC RISC
指令系统 复杂、庞大 简单、精简
指令数目 一般大于200条 一般少于100条
指令字长 不固定 定长
可访存指令 不加限制 只有Load/Store指令
各种指令执行时间 相差较大 绝大多数在一个周期内完成
各种指令使用频度 相差很大 都比较常用
通用寄存器数量 较少 多
目标代码 难以用优化编译生成高效的目标代码程序 采用优化的编译程序，生成代码较为高效
控制方式 绝大多数为微程序控制 绝大多数为组合逻辑控制
指令流水线 可以通过一定方式实现 必须实现
posted @ 2024-07-23 17:32  菜鸟小楠  阅读(71)  评论(0)  编辑  收藏  举报