深入浅出计算机组成原理学习笔记：第六讲

一、CPU 是如何执行指令的？

1、软件程序员的理解

写好的代码变成了指令之后、是一条条顺序执行的就可以了

2、CPU的逻辑组成

3、寄存器

N 个触发器或者锁存器，就可以组成一个 N 位（Bit）的寄存器，能够保存 N 位的数据。比方说，我们用的 64 位 Intel 服务器，寄存器就是 64 位的。

 

 

 4、特殊寄存器

5、CPU执行指令流程

1、CPU会根据PC寄存器里的地址，从内存里面把需要执行的指令读取到指令寄存器里面直面执行

2、然后根据指令长度自增、开始顺序读取下一条指令。可以看到一个程序的一条条指令在内存里面是连续保存的。也会一条条顺序加载

3、而有些特殊指令(J类跳转指令)、会修改寄存器里面的地址

4、这样下一条要执行的指令就不是从内存里面顺序加载的

5、事实上、这些跳转指令存在，也就是我们在写程序的时候，使用了 if…else 条件语句和 while/for 循环语句的原因

二、从 if…else 来看程序的执行和跳转

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[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;   }

我们用 rand 生成了一个随机数 r，r 要么是 0，要么是 1。当 r 是 0 的时候，我们把之前定义的变量 a 设成 1，不然就设成 2。

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[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    }

执行报错，是因为少了一个}

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[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

可以看到，这里对于 r == 0 的条件判断，被编译成了cmp 和 jne 这两条指令。cmp 指令比较了前后两个操作数的值，这里的 DWORD PTR 代表操作的数据类型是 32 位的整数

而 [rbp-0x4] 则是一个寄存器的地址。所以，第一个操作数就是从寄存器里拿到的变量 r 的值。第二个操作数 0x0 就是我们设定的常量 0 的 16 进制表示。cmp 指令的比较结果，会存入到条件码寄存器当中去。

在这里，如果比较的结果是 True，也就是 r == 0，就把零标志条件码（对应的条件码是 ZF，Zero Flag）设置为 1。除了零标志之外，Intel 的 CPU 下还有进位标志（CF，Carry Flah）
符号标志（SF，Sign Flag）以及溢出标志（OF，Overflow Flag），用在不同的判断条件下。

cmp 指令执行完成之后，PC 寄存器会自动自增，开始执行下一条 jne 的指令。

 

 

三、如何通过 if…else 和 goto 来实现循环？

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[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

错误：使用gcc编译代码会报错：

原因：这是因为gcc是基于c89标准，不能直接在for循环中初始化增量。而C99标准可以在for循环内定义变量。

解决方法：

 我们再看一段简单的利用 for 循环的程序。我们循环自增变量i 三次，三次之后，i>=3，就会跳出循环。整个程序，对应的 Intel 汇编代码就是这样的：

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[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

可以看到，对应的循环也是用 1e 这个地址上的 cmp 比较指令，和紧接着的 jle 条件跳转指令来、实现的。主要的差别在于，这里的 jle 跳转的地址，在这条指令之前的地址 14，而非 if…else 编
译出来的跳转指令之后。往前跳转使得条件满足的时候，PC 寄存器会把指令地址设置到之前执行过的指令位置，重新执行之前执行过的指令，直到条件不满足，顺序往下执行 jle 之后的指令，整个循环才结束。

其实，你有没有觉得，jle和jmp指令，有点像逻辑程序里面的goto命令，直接指定了一个特定条件下的跳转位置