计算机是如何工作的？--通过汇编一个简单的C程序，分析汇编代码理解计算机是如何工作的

王康 原创作品转载请注明出处 《Linux内核分析》MOOC课程 http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000

 

1 存储程序计算机模型

cpu内部有寄存器ip，分别在16位叫 ip 32 eip 64rip

ip通过总线指向代码段一个地址，取过来一条指令执行；

执行完之后ip取下一条指令自加一继续指向。

硬件来看：冯诺依曼通用

软件程序员来看：

内存存储指令和数据，cpu执行指令

cpu识别什么样的指令？

API:程序员与计算机接口界面

ABI:二进制接口，程序与CPU接口界面---汇编指令---

----指令中涉及一个寄存器，内存地址

1 eip自加一，是加一条指令而不是地址加一（因为指令长度可能不同）；

2 eip可以被CALL,RET,JMP指令可以修改eip

注意：
1.程序员不可以直接修改IP的值，只能通过一些指令，如CALL、RET、JMP等间接修改IP的值
2.IP在32位机器中表示为eip（本次实验以32位作为分析），在64位机器中表示为rip。

 

 

2 x86汇编基础

开头e为32位 ebx+ecx偏移地址  ebp esp堆栈  

以上为通用寄存器，还有段寄存器

还有一个标志寄存器

64位差别不大，通用寄存器扩展到64位，前边带R就是扩展了的

还增加了一些64位的MMX的寄存器。

使用只是寄存器名字不一样，机制差别不大

movl 32位 movb8位 movw16位 mowq 64位

$0x123 16进制的数值放到edx里边，也和内存没有关系

没有$就表示一个地址放到，后边就是c语言相同表示:

将0x123数值强制转化为32位的一个int变量指针，再用*取他指向的值

可以看到c语言模式一样的，也是转地址

push 把eax压倒堆栈栈低，等同于：esp是堆栈栈低，减4,4字节就是32位，且堆栈是向下增长。最后把eax压入

pop：把栈顶数值放入eax，然后把esp加四，向上回退

call:把当前eip压栈保存起来，赋了一个新值

ret:pop eip实际就是执行了一个call，call到了函数定义的位置。

pop就是把call时候保存的eip再返回到eip指令当中来，继续执行当时函数调用的下下一跳指令.

(*)意思是伪指令，不能被程序员直接修改

比如call指令，ret指令

push eip（*）意思是把当前eip值压入；而ret： pop eip时候会把弹出的值自动赋值到eip寄存器

 

 

3 汇编一个简单的c程序分析其汇编指令执行过程

吧当前main.c编译为32位。-S为生成编译文件

main.s所有用.开头是连接时候辅助信息

这两条可以认为是宏指令，一个是函数调用一个是函数退出，正好相反

 

实验分析：

第二条和第一条就是enter

call f：对应push eip（执行这个动作时候eip实际指向的下一条地址）和mov f地址到eip

可以看到指向了23位置

执行f：10行代码以后：

12条是把8赋值给eax，eax = 8

13条把8放到了标号5的位置

call g ：push eip（此时eip应该是15行代码位置）；

执行第三行后：

pop ebp实际就是把ebp 4 内容放回ebp，效果就是ebp又指向原来4的位置，

同样esp要减4又指向6号标号位置

ret--- pop eip：esp指向标号5位置同时eip指向了15（call下一条指令）

最后leave。esp和ebp都指向4

pop后esp+4指向3位置

最后ret。

eip指向了23，

addl：eax是默认返回值，eax = 12

leave：最后都指向1，再pop ebp，则均指向0

有两点需要注意的地方：

1 函数调用之所以把8放到下一个栈帧ebp+8的位置是因为参数位置是紧跟下一个方法调用栈帧位置，例如当前ebp和esp之间空出了2个位置，那么8参数要放到靠下紧贴下一个方法调用栈帧位置

2 另外eax是调用者保存寄存器caller save，所以过程中不需要去管eax

 

 

4、实验总结–对计算机如何工作的理解
1.计算机的基本原理是存储程序和程序控制，预先要把指挥计算机如何进行操作的指令序列（称为程序）和原始数据通过输入设备输送到计算机内存贮器中。每一条指令中明确规定了计算机从哪个地址取数，进行什么操作，然后送到什么地址去等步骤。
计算机在运行时，先从内存中取出第一条指令，通过控制器的译码，按指令的要求，从存储器中取出数据进行指定的运算和逻辑操作等加工，然后再按地址把结果送到内存中去。接下来，再取出第二条指令，在控制器的指挥下完成规定操作。依此进行下去。直至遇到停止指令。简单来说就是CPU负责处理和运算，存储器负责保存指令和数据。通过操作系统得调度和安排，不停地进行取址、译码、执行的循环。
2.汇编代码是什么？
计算机语言的发展过程从机器语言（计算机能直接识别的二进制0和1的组合）->汇编语言（为了减轻使用机器语言编程的痛苦，人们进行了一种有益的改进：用一些简洁的英文字母、符号串来替代一个特定的指令的二进制串，依赖于硬件）->高级语言（接近于数学语言或人的自然语言，同时又不依赖于计算机硬件，编出的程序能在所有机器上通用）。
我们编写了一个小程序，比如上面实验中写到的main.c文件，编译器执行的过程，
可执行的二进制文件是计算机“认识”的文件，可以直接执行。
3.以上便是我对这次实验的总结，计算机很“单纯”，它可以执行很多复杂的指令，但它也是被“告诉”要执行什么，才会去执行什么，通过对汇编语言的分析可以方便我们理解计算机处理的过程，了解计算机如何工作等等。感谢为我们辛苦准备课程的老师！