《Linux内核分析》第一周笔记 计算机是如何工作的

一、计算机是如何工作的？

1、存储程序计算机工作模型

　　1）冯诺依曼体系结构

　　　　学习研究计算机的基本概念。就是指存储程序计算机。所有的有计算功能的电子设备小到计算器，大到超级计算机核心部分都可以用这种体系结构来描述。

　　2）存储程序计算机工作模型

　　　　从硬件（计算机的主板）：逻辑上抽象为，CPU与内存之间通过总线连接，CPU内部有一个关键寄存器IP（Instruction Pointer）（在16位CPU中叫IP，在32位CPU中叫EIP，在64位CPU中叫RIP），总是指向内存的某块区域，指向内存中的代码段CS（Code Segment）。CPU从IP指向的内存地址取一条指令执行，完成后IP自+1，执行下一条指令，之后重复取指令执行。

　　　　从程序员：内存保存指令和数据，CPU负责解释和执行这些指令。

　　3）CPU识别什么样的指令？如何定义？

　　　　API：程序员与计算机的接口界面。

　　　　ABI：程序与CPU接口界面

• 汇编指令
• 约定使用什么样的寄存器
• 对X86来讲，多数指令可直接访问内存

　　　　EIP：在X86计算机中EIP指向内存的一条指令，EIP自动加到下一条指令，每条指令的长度不同，也可被CALL、RET、JMP、condition JMP指令修改。

2、X86汇编基础

　　1） X86 CPU的寄存器

　　　　1.通用寄存器：

　　　　32位的寄存器中，低16位作为16位的寄存器：AX、BX、CX、DX。

　　　　开头为E的寄存器是32位。累加器EAX、基地址寄存器EBX、计数寄存器ECX、数据寄存器EDX、堆栈基指针EBP（重要）、变址寄存器ESI和EDI、堆栈顶指针ESP（重要）。堆栈是计算机中基础性的东　　　　　　           西。

　　　　开头为R的寄存器是64位。机制上与32位差别不大。

　　　　2.段寄存器：

　　　　CS——代码段寄存器(Code Segment Register)，其值为代码段的段值；
　　　　DS——数据段寄存器(Data Segment Register)，其值为数据段的段值；
　　　　ES——附加段寄存器(Extra Segment Register)，其值为附加数据段的段值；
　　　　SS——堆栈段寄存器(Stack Segment Register)，其值为堆栈段的段值；
　　　　FS——附加段寄存器(Extra Segment Register)，其值为附加数据段的段值；
　　　　GS——附加段寄存器(Extra Segment Register)，其值为附加数据段的段值。

　　　　其中代码段和堆栈段使用最多。CPU在实际取指令时根据cs:eip来准确定位一个指令的内存地址。

　　　　3.标志寄存器：

　　　　用于标识当前状态。

　　2）常见汇编指令

　　　　1.mov指令及几种内存寻址方式

　　　　b,w,l,q分别代表8位，16位,32位和64位

　　　　

• 　　　　寄存器寻址，以%开头的寄存器标示符，操作寄存器，与内存无关。
• 　　　　立即寻址，立即数是以$开头的数值，与内存无关。
• 　　　　直接寻址，直接访问一个指定的内存地址的数据。没有$则表示地址，将内存地址0x123指向的内存数据放入edx寄存器。
• 　　　　间接寻址，将寄存器的值作为一个内存地址来访问内存，寄存器ebx存的值作为内存地址，将内存地址存储的数据放入edx。
• 　　　　变址寻址，在间接寻址之时改变寄存器的数值。
• 　　　　Linux使用的A&T汇编格式与Intel汇编略有不同。

　　　　2.几个重要汇编指令push pop call ret

　　　　　　

• 　　　　　　压栈：把eax这个寄存器压栈到堆栈的栈底，ebp指向栈底，将eax放到esp所在的内存位置。栈的位置在增长。
• 　　　　　　出栈：栈的位置在收缩。
• 　　　　　　函数调用：把地址0x12345地址放到eip里,eip存储着当前cpu要读取指令的地址（指令指针），表示CPU下条指令从0x1234开始执行。
• 　　　　　　return：ret是把之前保存的eip还原，ret后会继续执行函数调用完的下一条指令。

　　　　　　　　　*表示是伪指令，不能被程序员直接使用。因为eip寄存器不能被直接修改，只能通过指令间接修改。

　　3）练习

　　例1

例2

例3

3、汇编一个简单的C程序

实验过程

实验代码

汇编代码

分析汇编代码

函数的返回值默认使用eax存储返回给上一级函数

4、总结

　　通过第一次学习《Linux内核分析》这门课程，我收获了许多知识。首先复习了冯诺依曼体系结构的知识，对存储程序计算机工作模型从两个方面进行了了解。之后有了解了CPU可以识别的口令。第二部分学习了X86的汇编基础知识，了解了CPU的三种寄存器，以及几种重要的寻址方式寄存器寻址，以%开头的寄存器标示符，操作寄存器，与内存无关。立即寻址，立即数是以$开头的数值，与内存无关。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，寄存器ebx存的值作为内存地址，将内存地址存储的数据放入edx。变址寻址，在间接寻址之时改变寄存器的数值。之后学习并应用了几个重要汇编指令push pop call ret，通过习题更加了解这些指令的具体含义。