20189220 余超《Linux内核原理与分析》第二周作业

计算机如何工作的

一.存储程序计算机工作模型

冯诺依曼体系结构：核心思想为存储程序计算机。两个层面：
（1）硬件的角度（计算机主板）：一个CPU，一块内存，之间有总线连接。CPU内部有一个IP计算器，IP指向内存中的指令，并依次加一执行；

（2）另一个层面，程序员的角度：存储程序计算机工作模型（如下图）

解释：CPU抽象为for循环，总是执行下一条指令，内存保存指令和数据，CPU来解释和执行这些指令。
API：应用程序编程接口（程序员与计算机的接口界面）。
ABI：二进制接口，指令编码（程序员与CPU的接口界面）。
计算机内部采用二进制来表示指令和数据。
计算机的硬件应该由运算器、存储器、控制器、I/O设备所组成。
假定当前是32位X86机器，函数的返回值默认使用eax来返回给上级函数
主存在逻辑上可以看作字节数组

二.计算机的汇编指令：

（1）movl指令（32位）：寄存器寻址，寄存器模式，以％开头的寄存器标示符。不和内存打交道，eax赋值给edx；

立即寻址，把立即数直接放在寄存器，立即数是以$开头的数值；

直接寻址，直接访问一个指定的内存地址的数据；

间接寻址：将寄存器的值作为一个内存地址来访问内存；

变址寻址：在间接寻址之时改变寄存器的数值。
（2）其他指令（32位）：pushl 压栈，esp减4，把eax放入esp内存位置

popl 出栈，从堆栈栈顶取32位放到寄存器eax里面，有两个动作：首先间接寻址，把栈顶数值放到eax里面，再把栈顶加4。

call 函数调用，把当前的eip压栈，给eip赋新值；

注意：芯号是指这些指令是伪指令，程序员不能直接修改这些，即eip寄存器不能被直接修改，只能通过特殊指令间接修改。

三.汇编一个简单的C程序分析其汇编指令执行过程

简单的c语言程序：

输入gcc –S –o 20189220main.s 20189220main.c -m32 ，删除多余的代码从而形成汇编代码，如图：

esp：寄存器存放当前线程的栈顶指针
ebp：寄存器存放当前线程的栈底指针
eip：寄存器存放下一个cup指令存放的内存地址，当cpu执行完成当前指令之后，从eip寄存器中读取下一条指令的内存，然后继续执行。
eax：暂存一些数值，函数的返回值通过eax默认返回给上级函数（32位x86）。

四.阐述堆栈的变化过程：

当开始执行改程序的时候，eip是指向main函数入口地址，即eip指向18行存放的指令。设默认的堆栈栈低寄存器ebp的值为1000，则堆栈栈顶指针也为1000。

1、pushl %ebp: 把ebp的值压入堆栈，esp=996,栈顶值为1000

2、movl %esp,%ebp: 将esp的值传给ebp，则ebp值为996

3、subl $4，%esp：将esp的值减去4，则esp的值为992

4、movl $6，(%esp): 将esp所指的值为地址（寄存器间接寻址）的值赋为6（堆栈的栈顶存放6）
此时堆栈：

5、call f：相当于pushl eip和movl f eip。堆栈先压入eip（23），esp=esp-4=988。然后把f函数的入口函数地址赋值给eip（存放第9行的指令代码）
此时堆栈：

6、pushl %ebp：在堆栈中压入ebp的值，esp=esp-4=984

7、movl %esp，%ebp：把esp的值赋给ebp。ebp=esp=984

8、subl $4，%esp：把esp的值减去4。esp=esp-4=980

9、movl 8（%ebp），%eax：把ebp+8的地址上所存的值赋给eax，即把地址为992，值为6赋值给eax寄存器

10、movl %eax，（%esp）：相当于压栈
此时堆栈：

11、call g：相当于pushl eip和movl g eip。栈堆先压入eip(15),在把函数g的入口地址赋给eip
此时堆栈：

12、pushl %ebp: 堆栈压入ebp的值

13、movl %esp,%ebp: 把esp的值赋给ebp

14、movl 8（%ebp），%eax：将ebp的值加8作为地址，其值赋给eax。即，eax值为6

15、addl $4，%eax：将eax的值加4。eax的值为10

16、popl %ebp：堆栈弹出，其值赋给ebp。
此时堆栈：

17、ret ：相当于popl %eip（*）。堆栈弹出，其值赋给eip。则eip指向了存储15行代码的地址。
此时堆栈：

18、leave：相当于movl %ebp，%esp和popl %ebp。将ebp的值赋给esp，堆栈弹出，其值赋给ebp。相当于销毁g的函数堆栈意思。esp=988，ebp=996。
此时堆栈：

19、ret ：相当于popl %eip（*）。堆栈弹出，其值eip（23）赋给eip

20、addl $2，%eax：把eax的值加上2，eax的值为10+2=12。

21、leave ：相当于movl %ebp，%esp和popl %ebp。将ebp的值赋给esp，堆栈弹出，其值赋给ebp。相当于销毁f的函数堆栈意思。esp=1000，ebp=1000
此时堆栈：

总结：

本周通过学习计算机汇编的基础知识和基本原理，理解到了计算机的基本原理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。程序与数据一样存贮，按程序编排的顺序，一步一步地取出指令，自动地完成指令规定的操作是计算机最基本的工作原理。
这只是一个简单的程序，在后面的学习中要把老师介绍的深入理解计算机系统的第三章程序的机器级表示的内容再看一看，学会用计算机的思维来进行思考和编程。