庖丁解牛Linux内核学习笔记（1）--计算机是如何工作的

存储程序计算机模型

冯诺依曼体系结构

冯诺依曼体系结构是存储程序计算机，什么叫存储程序计算机？从硬件角度说，假设有cpu和内存，两者通过总线连接，在cpu内部有一个寄存器叫ip(instruction pointer)，即X86型CPU中的指令指针寄存器（相当于ARM型CPU中的程序计数器PC）。ip总是指向内存中的代码段，然后cpu从ip指向的区域取出一条指令，并且执行该指令，然后ip自动加1，指向紧邻的下一条指令，cpu取出该指令并执行，然后ip再自动加1，cpu再执行。。。这样，程序代码存储在内存里，cpu通过ip寄存器依次顺序执行程序代码。这就是硬件角度的冯诺依曼体系结构，目前所有的具有计算功能的计算机都是冯诺依曼体系结构。

从程序员角度说，存储程序计算机可以抽象为下图，其中cpu被抽象为for循环，总是在执行next struction。内存里主要是保存instruction（指令）和data数据，也就是代码区和数据区。工作原理是内存存储指令和数据，cpu逐条解释执行指令。

API和ABI

CPU识别什么样的指令，涉及到API（Application Programming Interface,应用程序编程接口）和ABI（Application Binary Interface应用程序二进制接口），其中API是程序员与计算机的接口界面，ABI是程序与CPU的接口界面，这个接口界面涉及到3个方面的内容：1)汇编指令编码 2）指令使用过程中使用到的寄存器3）大多指令可以访问内存。其中在x86机器上，cpu的执行的每条指令都存放在eip（32位机的指令寄存器），eip是自增的，通过eip自增可实现cpu顺序执行指令，而eip也是可以被jmp（跳转指令）、ret、call等指令修改的，从而实现cpu跳转执行指令。

x86汇编基础

x86 CPU中的寄存器

x86 cpu中的寄存器有32位、16位、8位的，16位的寄存器叫做AX、BX、CX、DX、BP、SI、DI、SP等，32位寄存器是将16位的进行扩展，然后在寄存器命名时添加E，比如16位寄存器AX扩展为32位命名为EAX，寄存器分为通用寄存器和专用寄存器，具体用途如下：

段寄存器属于专用寄存器：



在段寄存器中代码段和堆栈段使用率较高，因为指令存储在代码段，CPU在取指令时使用cs：eip来准确定位一个指令，另外每一个进程都有自己的堆栈，所以代码段和堆栈段使用频繁一些。除了上述寄存器还需要了解的是一个标志寄存器EFLAGS，该寄存器标识当前处理器处于什么状态。

当前主流的机器是x86_64位机，在核心机制上x86_64和x86差别不大，只是寄存器从32位扩展为64位，命名的时候在寄存器名称前面加R：RAX、RBX等等，状态寄存器命名为RFLAGS等。

x86汇编指令和寻址方式

比较常用的汇编指令有mov指令、push、pop指令、call指令和ret指令。其中mov指令是将第一个操作数数据存入第二个操作数中。根据不同的寻址方式数据来源和存储位置均可能为寄存器、存储器等。语法中%表示寄存器，$表示立即数，()表示取内存中的数据，*表示程序员不能直接修改eip，可使用call和ret修改。



push、pop指令是入堆栈和出堆栈的指令，具体可参考Push, Pop, call, leave 和 Ret 指令图解中的图解~call指令和ret指令是一一对应的，一个是保存eip寄存器的值入栈，然后将子函数的地址写入eip，ret是将保存入堆栈的eip的值恢复回去。

堆栈的概念

堆和栈是数据结构，需要注意的是，进程在内存里的结构如下图：



上图中的堆栈准确的说应该叫做堆区和栈区，其中箭头是指各个区域的增长方向。具体堆和栈的区别可参考堆和栈的区别

总结

存储程序计算机模型相关知识、CPU中的寄存器这两方面内容在《计算机组成原理》课程中详细介绍，汇编指令以及寻址方式会在《嵌入式系统设计》课程里介绍，寻址方式在计算机组成原理中也会介绍。