linux内核分析课程笔记（一）

冯诺依曼体系结构

冯诺依曼体系结构实际上就是存储程序计算机。

从两个层面来讲：

从硬件的角度来看，冯诺依曼体系结构逻辑上可以抽象成CPU和内存，通过总线相连。CPU上有一些寄存器，IP(Instruction Pointer)是一个指针，总是指向内存的某一块区域CS(Code Segment)，CPU即从IP指向的地址取一条指令进行执行，执行完之后IP自增1，加到下一条指令（逻辑意义上的1，因为有些指令系统是变长指令）
从程序员的角度来看，存储程序计算机。CPU从程序员的角度可以抽象成一个无条件的for循环，总是执行下一条指令。

for(;;){

next instruction();

}

API(Application Program Interface)

ABI(Application Binary Interface)

32位的x86中EIP的三条特性：

每条指令执行完成后EIP自加1
指令的长度不同
EIP还可能会被一些指令修改，如:CALL、RET、JMP以及条件JUMP

x86汇编基础

x86寄存器

有8位、16位和32位的寄存器。

16位：AX、BX、CX、DX、BP、SI、DI、SP

32位：EAX(累加器)、EBX(基地址寄存器)、ECX(计数寄存器)、EDX(数据寄存器)、EBP(堆栈基址指针)、ESI与EDI(变址寄存器)、ESP(堆栈顶指针)

段寄存器：

CS(Code Segment Register)，代码段
DS(Data Segment Register)，数据段
ES(Extra Segment Register)，附加数据段
SS(Stack Segment Register)，堆栈段
FS与GS段寄存器用于区分x86的两种模式

CPU在实际取指令时根据CS:EIP来准确定位一个指令。

x86指令

mov指令与寻址方式

寄存器寻址

movl %eax,%edx（%为寄存器标识，操作均为寄存器，与内存无关）

执行结果：edx = eax

立即寻址

movl $0x123,%edx （$表示数值，表示将立即数存入寄存器中）

执行结果：edx = 0x123

直接寻址

movl 0x123,%edx （将某个内存地址的内容存入寄存器中）

执行结果： edx = *(int32_t*)0x123

这里将0x123当作指针，寻找其指向的内存内容

间接寻址

movl (%ebx), %edx （将寄存器中存放的值作为内存地址，取出其中内容，使用()表示**从地址取出内容**）

执行结果： edx = *(int32_t*)ebx

变址寻址

movl 4(%ebx),%edx （将寄存器中存放的值作为基内存地址，加入偏移量后再取出相应内存地址对应内容）

执行结果： edx = *(int32_t*)(ebx+4)

b,w,l,q分别代表8位，16位，32位和64位

（样例中是movl，即表示是32位mov指令)

对于x86来说，大部分指令都能直接访问一个内存地址。

AT&T汇编格式与Intel汇编格式略有不同，Linux内核使用的是AT&T汇编

PUSH、POP、CALL和RET

pushl %eax

拆解指令：

subl $4,%esp

movl %eax,(%esp)

含义：将栈顶指针减4（栈从高到低增长），然后将eax里的值放入现在的栈顶所指向的内存中。

popl %eax

拆解指令：

movl (%esp),%eax

addl $4,%esp

含义：将栈顶值放入eax寄存器中，栈顶指针+4表示退栈

call 0x12345

拆解指令：

pushl %eip （当前的eip压栈，即要保存返回地址）

movl $0x12345,%eip (将 eip = 0x12345，即CPU要执行的下一条指令是0x12345指向的指令）

ret

拆解指令：

popl %eip (将call保存的eip还原到eip寄存器中)

约定

写汇编代码的时候不能直接修改eip寄存器，所以形如movl $8,%eip的用法是错误的！

C到汇编

enter:

pushl %ebp

movl %esp,%ebp

建立堆栈

leave:

movl %ebp,%esp

popl %ebp

退栈

实验截图

以下是我的实验截图，因为在学校学号是13061193，所以使用了这个数字作为个人的特殊标识：

函数调用堆栈分析

一些知识点

函数的调用堆栈是由逻辑上的多个堆栈叠加起来形成的。
函数的返回值默认使用eax寄存器存储返回给上一级函数，跟MIPS中的$v0寄存器的作用一样。

汇编代码分析

int g(int x)

{

  return x + 3;

}

int f(int x)

{

  return g(x);

}

int main(void)

{

  return f(13061193) + 1;

}

首先看最简单的 int g(int x)函数，它不涉及到嵌套函数调用，只有一条语句用于返回 x+3 。

g函数编译成的汇编代码段即：

pushl %ebp

movl  %esp,%ebp

movl  8(%ebp),%eax

addl  $3,%eax

popl　%ebp

ret

第1、2行汇编代码等价于enter，是一个存储函数基地址的过程。而在存储函数基地址之前，实际上还需要存储的是函数的参数与返回地址。返回地址的存入不是显式的，是在call语句时eip被存入栈中。

从开始到结束，整个过程可以用如下动图所示：

左侧堆栈为执行完红色指令后的堆栈状态。
使用main-eip、f-eip的意思是指，函数调用的返回点分别是在main、f函数中。
使用main-ebp、f-ebp、g-ebp的意思是这些分别是三个函数的基地址。
f-x 和 g-x 的意思是这两个函数的参数 x 。

总结

冯诺依曼结构下的计算机是依靠CPU执行存储器中的代码段，配合存储器中的数据段等来工作的。