Linux第一周学习总结——计算机是如何工作的

第一周学习总结——计算机是如何工作的

作者：刘浩晨

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）

二、X86汇编

1.X86CPU的寄存器

（1）通用寄存器

堆栈基指针和堆栈顶指针较为重要。

（2）段寄存器：

其中代码段和堆栈段用的较多。CPU在实际取指令时根据cs:eip来准确定位一个指令。

（3）标志寄存器

标志寄存器可以标识当前的一些状态。

2.计算机的汇编指令

（1）movl指令：

• 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。

注意：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汇编格式。

（2）其他指令

堆栈是向下增长的，有一个基址ebp指向堆栈栈底

• 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：*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

1.练习：分析一段汇编代码

2.将C代码编译成汇编代码

1.函数调用堆栈是由逻辑上多个堆栈叠加起来的

2.函数的返回值默认使用eax寄存器存储返回给上一级函数

3.使用命令编译成汇编代码：gcc –S –o main.s main.c -m32

堆栈变化：

四、实验内容——反汇编一个简单的C程序

简单C程序：

汇编代码：

分析汇编代码的工作过程中堆栈的变化：

首先开始入栈，从main函数开始，按照下图画出流程进行执行：

此时eax=8+8=16。下一条指令popl %ebp开始出栈：

五、学习总结体会

由于上学期进行过初步的Linux学习，所以这周内容并不困难。老师讲了一些基本的概念，然后通过一个完整的简单C程序的汇编代码实例讲解，让我们更加清楚计算机中指令执行时堆栈的变化，这也有助于我们理解计算机到底是如何工作的。我觉得计算机是非常精细的，但通过这周课程的学习，简单来说在它工作过程中，按照冯诺依曼原理的话就是存储和程序。指令序列就为程序，这些指令和数据等预先存储在内存中，工作时，CPU从内存中取出指令，从存储器中取出数据进行指定的运算和逻辑操作等加工，再按地址把结果送到内存中去。再取出下一条指令完成相应操作，直至完成停止。现在我还只能理解一些小的简单的程序，对于更加复杂更加实用的东西还需要进一步学习。老师讲解的方式和内容都很好，我相信这应该会是一次很棒的学习体验过程。

参考资料：

《Linux内核分析》MOOC课程 http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000

《深入理解计算机系统》

实验楼https://www.shiyanlou.com/courses/running/555