《Linux内核分析》第一周 计算机是如何工作的？

刘蔚然 原创作品转载请注明出处 《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000】

WEEK ONE（2.22——2.28）计算机是如何工作的？

【基本的汇编程序工作原理】

SECTION 1 存储程序计算机

1.1冯诺依曼体系结构：即具有存储程序的计算机体系结构

目前大多数拥有计算和存储功能的设备（智能手机、平板、计算机等）其核心构造均为冯诺依曼体系结构

1. 从硬件来看
   • CPU与内存通过主线连接，CPU上的IP（可能是16、32、64位）总指向内存的某一块区域；IP指向的CS（代码段）也在内存中；CPU总是执行IP指向的指令。
2. 从软件来看
   • API（应用程序编程接口，与编程人员）与ABI（程序与CPU的借口界面） 是两个比较重要的软件接口

1.2 课件4/21

关于ABI：指令编码；指令中涉及的寄存器布局；大多数指令可以直接访问内存

1.3 课件5/21

（E代表32位系统）EIP在CPU执行完一条指令之后自加一（自动加一条指令，而不是一个字节或是32位），当然也可以被其它指令，如CALL,RET等修改

SECTION 2 x86汇编基础

2.1 x86（32位）的寄存器中，低16位作为16位register

2.2 关于堆栈段寄存器

EBP（堆栈基址寄存器）；ESP（堆栈顶指针寄存器）。上述两个寄存器较为频繁地使用于汇编程序中

2.3 关于代码段寄存器

CPU实际取指令的时候通过cs:eip来描述

2.4 64位CPU

其实与32位在核心机制上差别不大，64位的机器中，寄存器以RXX表示

2.5 常见汇编指令

1. 后缀的b,w,l,q分别代表8，16，32，64位
2. 以%标识的寄存器寻址不与内存“打交道”
3. 直接寻址&立即数寻址
   1. movl $0x123,%eax —— %eax=0x123
   2. movl 0x123,%eax —— 立即数是以$开头的十六进制数值。直接访问指定的内存地址（0x123）中的数据然后赋给%eax

4. 变址寻址

   movl 4(%ebx),%edx//edx = *(inet_32 *)(ebx+4)，即ebx的值加4之后作为一个地址，将其指向的数据赋给%edx
   

5. 大多数指令都可以直接访问内存地址
6. Linux使用的A&T汇编格式与Intel汇编略有不同

7. 几条重要的汇编指令

   

2.6汇编小程序练习

以上图中的片段1和3为例完成堆栈变化图：

SECTION 3 汇编一个简单的C程序

3.1 将C代码编译成汇编代码

• 将代码在实验楼环境中（64位）保存之后，建议使用 -m32将其编译为32位的汇编代码

• 具体如下：

   gcc -S -o main.s main.c -m32
  

• 关于leave指令
  • leave指令与enter指令一起相当于两条宏指令
  • （
  • enter指令相当于在原来的堆栈上再建一个新的空堆栈【因为将栈底指针%ebp挪到和栈顶指针相同的位置了】
  • leave指令与enter相反，相当于撤销函数调用堆栈【把栈顶指针提上来，则撤消了该栈】
• 函数调用堆栈是由逻辑上多个堆栈叠加起来的。
• 函数的返回值默认用%eax存储，然后返回给上一级函数。

3.2 练习2

【分析】

1. 从main函数的堆栈变化开始看，可以发现堆栈中填充了8；猜想8可能是主函数传给g(x)的参数；
2. 调到g后，可以看到先将8传给了%eax；然后再加上了8，紧接着弹栈；猜想应该是x+8；
3. 主函数又减去了8.这样得到的是x+8-8；

4. 函数应该如下：

   int g(int x)
   {
       return x+8;
   }
   int main(void)
   {
       return g(8)-8;
   }

实验部分

• 实验步骤

• 实验代码

• 代码汇编结果

add:
pushl   %ebp
movl    %esp, %ebp
movl    8(%ebp), %eax
addl    $6, %eax
popl    %ebp
ret
f:
pushl   %ebp
movl    %esp, %ebp
subl    $4, %esp
movl    8(%ebp), %eax
movl    %eax, (%esp)
call    add
leave
ret
main:
pushl   %ebp
movl    %esp, %ebp
subl    $4, %esp
movl    $6, (%esp)
call    f
addl    $1, %eax
leave
ret

• 分析（堆栈变化过程图解）

总结

理解“计算机是如何工作的”？

【理解】

我认为，首先需要明确的一点就是：计算机并不“聪明”；相反的是，计算机十分“笨拙”。越是简洁通用的规则（哪怕代价是需要很多的重复计算）越能够让计算机充分发挥其优势——见字面意思，即“计算（compute）”。

1. 计算机的硬件设施部分，就如第一讲中讲到的那样，除了核心CPU之外，还有寄存器、高速缓存、主存乃至外存这样种类繁多的存储设备。存储设备（这也是冯 诺依曼体系结构的一个重要支点）根本目的就是为CPU服务，存储各种各样的、区分轻重缓急的数据；
2. 有了上面的硬件基础，计算机的工作过程就集中在了CPU和为其传输数据的地址总线上。各种各样的I/O设备传来的信息、计算机内置的各种程序（比如一些规则、保障性机制）甚至于网络上传播的木马病毒……形形色色的data与code集合都要整合成一条条指令——还是那句话，计算机很“笨拙”，它（CPU）执行的最底层的操作就是N种指令而已；
3. 计算机的这些指令的执行过程就如同汇编程序中显示的那样，CPU兢兢业业地往各种寄存器中填入数据、跳转或者撤销、释放……这一系列的基本操作（当然还要有硬件配合）在极短的时间完成，未来还会将时间进一步缩短。然后，不可思议的事情就这么发生了：我们可以在计算机中进行闪电般的运算、将各种媒体形式传输到网络上……然而，这些的基础都将追溯到这些0101串中。