第一章计算机工作原理

1.1 存储程序计算机工作模型

冯·诺依曼体系结构
各种计算机体系结构需要遵从的一个“客观规律”
- 结构图
- 冯·诺依曼体系结构的核心是存储程序计算机。
- 内存保存指令和数据，CPU负责解释和执行这些指令，它们通过总线连接起来。
  存储程序计算机工作原理示意图
- 对于x86-32计算机，有一个EIP寄存器指向内存的某一条指令，EIP是自动加一的（加一条指令）。

1.2 x86-32 汇编基础

1.2.1 x86-32 CPU的寄存器

开头为E的寄存器，一般是32位的。
32位寄存器EAX、EBX、ECX和EDX不仅可以传送数据、暂存数据保存算数逻辑运算结果，还可以作为指针寄存器。
段寄存器
代码段：使用CS:EIP来准确指明一个指令的内存地址（即首先需要知道代码在哪一个代码段里，然后需要知道指令在代码段内的相对偏移地址EIP）。
堆栈段：每一个进程都有自己的堆栈段。
开头带R的都是指64位寄存器。

1.2.3 寻址方式和常用汇编指令

最常见的汇编指令是mov指令，movb是指8位；movw是指16位；movl是指32位；movq是指64位。
寻址方式
x86-32中的大多数指令都能直接访问内存，但还有一些指令能直接对内存操作，如mov,push/pop等。
压栈：pushl表示32的push：

pushl %eax

就是把EAX寄存器的值压到堆栈栈顶。实际上是两个动作：
①把堆栈的栈顶ESP寄存器的值减4。（因为堆栈是向下增长的，所以用减指令subl，也就是在栈顶预留出一个存储单元）

subl $4, %esp

②间接寻址，就是把EAX寄存器的值放到ESP寄存器所指向的地方，这时ESP寄存器已经指向预留出的存储单元。

movl %eax, (%esp)

出栈：

popl %eax

从堆栈的栈顶取一个存储单元，从堆栈栈顶的位置放到EAX寄存器里。实际上也是两个动作：
①把栈顶的数值放到EAX寄存器里。

movl (%esp), %eax

②用指令addl把栈顶加4，相当于栈向上回退了一个存储单元的位置，也就是栈在收缩。

addl $4, %esp

每次执行指令pushl栈都增长，执行指令popl栈都收缩

call指令是函数调用，相当于两个动作：

push %eip
movl f %eip

ret指令是函数返回
EIP寄存器不能被程序员直接修改，只能通过专用指令（如call、ret和jmp等）间接修改。

1.2.4 汇编代码范例解析

以下两个片段变化的效果是一样的
2019-2020-1 20199308《Linux内核原理与分析》第二周作业
《Linux内核分析》
第一章计算机工作原理

以下片段稍有复杂（书P12）
2019-2020-1 20199308《Linux内核原理与分析》第二周作业
《Linux内核分析》
第一章计算机工作原理

1.3 汇编一个简单的C语言程序并分析其汇编指令执行过程

vi main.c
```命令打开VIM编辑main.c文件

   ![](https://img2018.cnblogs.com/blog/1800809/201909/1800809-20190921204953711-80431995.png)

-

gcc main.c

echo $?


![](https://img2018.cnblogs.com/blog/1800809/201909/1800809-20190921222911758-2119304015.png)

-

gcc -S -o main.s main.c -m32

在VIM编辑器中用

g/.s*/d


![](https://img2018.cnblogs.com/blog/1800809/201909/1800809-20190921223431249-1223513638.png)

- 分析上述“干净”的汇编代码

1 g:
2 pushl %ebp //将EBP压栈，将位置4存到位置7；ESP也指向位置7。
3 movl %esp, %ebp //将EBP也指向位置7。
4 movl 8(%ebp), %eax //EBP变址寻址，加8，即指向位置7不动，并把位置5的内容（即立即数8）放入EAX（取出函数g的参数）。
5 addl $7, %eax //将立即数7加到EAX中，即4+7，EAX为11。
6 popl %ebp //将位置7的内容（即位置4）放回EBP（即恢复函数f的函数调用堆栈基址EBP），即EBP指向位置4；同时ESP加4，指向位置6。
7 ret //(popl%eip)将ESP所指向的内容，即行号15放入EIP，即EIP指向行号15；同时ESP加4，即指向位置5。
8 f:
9 pushl %ebp //将EBP向下移动（从EIP的位置3开始），指向位置4。
10 movl %esp, %ebp //将ESP也指向EBP的位置4。
11 subl $4, %esp //ESP减4，指向位置5。
12 movl 8(%ebp), %eax //EBP变址寻址8，向上移动两个存储单元即加两个标号的位置，即指向位置2；并将位置2存储的立即数8放到EAX中。
13 movl %eax, (%esp) //将EAX放入ESP中，即立即数8放入位置5。
14 call g //类似第22行，将ESP指向位置6,；把EIP行号15放到位置6，并指向函数g的位置即第2行。
15 leave //撤销函数堆栈，等价于=(movl %ebp,%esp和popl %ebp)，即将EBP的内容（位置4）放入ESP，即ESP也指向位置4；然后把位置4的内容（即位置1）放回EBP，即EBP指向位置1；同时ESP加4，指向位置3。
16 ret //将ESP所指向的位置3的内容（即行号23）放到EIP中，即EIP指向行号23,；同时ESP加4，指向位置2。
17 main:
18 pushl %ebp //开始执行第一条指令，EIP自动加1即指向行号19；把EBP的值压栈，先将EBP指向位置1，再将EBP的值标号0。
19 movl %esp, %ebp //EIP自动加1即指向行号20；将EBP指向位置1。
20 subl $4, %esp //EIP自动加1即指向指向行号21；将ESP减4，即向下移动，指向位置2。
21 movl $4, (%esp) //EIP自动加1即指向行号22；把立即数4放入ESP，仍指向位置2（20和21行同作为压栈f函数所需参数）。
22 call f //执行此行时，EIP已经自动加1指向了下一行即指向行号23(pushl %eip)，然后将函数f的开始指令放入EIP(movl f %eip)，即EIP指向函数f的位置即第9行。
23 addl $1, %eax //将EAX加立即数1，即11+1,EAX的值为12,（EAX是默认存储函数返回值的寄存器）。
24 leave //撤销函数main堆栈，将EBP和ESP都指回位置1，同时把位置1存储的内容（即位置0）放到EBP，即EBP指向位置0；并ESP加4，也指向位置0。
25 ret //指令结束。



  - leave指令等价于令：

movl %ebp,%esp
popl %ebp


  - enter指令等价于：

pushl %ebp
movl %esp, %ebp

2019-2020-1 20199308《Linux内核原理与分析》第二周作业 《Linux内核分析》 第一章 计算机工作原理

第一章 计算机工作原理