CS:APP Chapter 3 程序的机器级表示-读书笔记

3.1 程序的机器级表示

发展历史

Intel，AMD，ARM 等企业各有又是，CPU 从 8 位发展到 16 位，再到 32 位，近几年发展到 64 位，当下的 CPU 体系被称为 x86-64 体系结构，主要是 Intel 和 AMD 两家的产品。

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IA32 处理器体系结构是 32 位芯片。

CPU 的微观视图架构

当下的计算机大多是采用冯诺伊曼体系结构，计算机由存储器，运算器，控制器，输入设备，输出设备组成。

IA32 的寄存器

通用寄存器的特殊用法

• EAX：扩展累加寄存器。在乘法和除法指令中被自动使用；

• ECX：循环计数器。

• ESI和EDI：扩展源指针寄存器和扩展目的指针寄存器。用于内存数据的存取；

• ESP：扩展堆栈指针寄存器。一般不用于算术运算和数据传送，而用于寻址堆栈上的数据。

• EBP：扩展帧指针寄存器。用于引用堆栈上的函数参数和局部变量；

特殊寄存器的用法

指令指针寄存器 EIP 也被称为程序计数器，Program Counter 也就是简称 PC。

PC 存放着下一条要执行的指令的地址，如果遇到了跳转，返回之类的指令，就会改变 PC 寄存器中存储的值，使之指向下一个目的地。

32 位的标志寄存器也就是 EFLAGS 寄存器，E 代表这个寄存器是 32 位的，FLAGS 代表里面存放的是有关程序状态的信息，有些指令将会改变这个状态信息，而有的指令则会根据这类状态信息执行不同的分支操作。

系统寄存器

只允许在最高特权级别下的程序进行访问的寄存器（例如操作系统内核），除此以外禁止应用程序访问。

• 中断描述符表寄存器IDTR：保存中断描述符表的地址。

• 全局描述符表寄存器GDTR：保存全局描述符表的地址，全局段描述符表包含了任务状态段和局部描述符表的指针。

• 局部描述符表寄存器LDTR：保存当前正在运行的程序的代码段、数据段和堆栈段的指针。

• 任务寄存器：保存当前执行任务的任务状态段的地址。

• 调试寄存器：用于调试程序时设置断点（breakpoint）。

IA32 的内存管理

实地址模式

在实地址模式下，处理器可以使用 20 位的地址总线，因此就可以访问多达 \(2^{20}\) 大小的内存，也就是 1MB，而 8086 的 CPU 只有 16 位的地址总线，因而不能直接使用 20 位的内存地址，需要进行一种映射变换，让 20 位的地址映射到 16 位的地址空间上。

为了实现这种映射，我们可以先考虑将多出来的 4 位作为内存的分段数量，而分出来的每一段都代表一个 16 位的地址空间，这样只能控制 16 位物理内存的 8086CPU 也就可以处理高达 20 位的地址了，这是一种较为普遍而简单的做法。

其中的段首地址不一定是整数，也有可能是一个比较不那么凑整的数字。

\[08F1:0100 \\
08F1*10H+0100H=09010H
\]

可见段首地址可以是任意的地址，这个段也就是以前汇编中学到的代码段，数据段等的地址。

分页模式

• 将内存分割成4KB大小的页面，同时将程序段的地址空间按内存页的大小进行划分。

  • 页面的大小往往是固定的

• 分页模式的基本思想：当任务运行时，当前活跃的执行代码保留在内存中，而程序中当前未使用的部分，将继续保存在磁盘上。当CPU需要执行的当前代码存储在磁盘上时，产生一个缺页错误（也就是缺页中断），引起所需页面的换进(从磁盘载入内存)。

• 通过分页以及页面的换进、换出，一台内存有限的计算机上可以同时运行多个大程序，让人感觉这台机器的内存无限大，因此称为虚拟内存。

在系统的内存金字塔中，所有的下层存储都是上层存储的缓存，下层的速度更慢，但是成本低廉所以容量较大，上层速度更快但是更加昂贵因此容量也相对下一层要小得多。使用缓存可以让跨层的数据读写更加快速，因为高层的时间往往更加宝贵，相同的时间堵塞，层次越高，性能影响越大。