2019-2020-1 20199304《Linux内核原理与分析》第二周作业

计算机工作原理

存储程序计算机模型

冯·诺依曼体系结构

冯·诺依曼体系结构如图所示：

• 冯·诺依曼体系结构包含五大部分
  • 运算器：在控制器的统一控制下，负责对数据进行加工、完成各种运算，如算术运算、逻辑运算、位移、比较等。其数据取自内存，运算结果又送往内存。
  • 控制器：控制器是整个计算机的指挥控制中心，通过向其他设备（计算机中的所有硬件设备2，直接或间接）发出控制信号来控制、控制计算机，使其能自动、协调地工作。
  • 存储器：计算机系统中用于保存信息的记忆设备，存放计算机中所有数据的场所
  • 输入和输出设备又称为I/O设备，都属于计算机的外部设备。
• 计算机内部采用二进制来表示指令和数据；
• 将编写好的程序和数据先存入存储器中，然后启动计算机工作，这就是存储程序的基本含义。

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。

x86-32汇编基础

x86-32 CPU中的寄存器

4个数据寄存器(EAX、EBX、ECX和EDX) 
2个变址和指针寄存器(ESI和EDI) 2个指针寄存器(ESP和EBP) 6个段寄存器(ES、CS、SS、DS、FS和GS) 
1个指令指针寄存器(EIP) 1个标志寄存器(EFlags)

• 数据寄存器
  数据寄存器主要用来保存操作数和运算结果等信息，从而节省读取操作数所需占用总线和访问存储器的时间。32位CPU有4个32位的通用寄存器EAX、EBX、ECX和EDX。对低16位数据的存取，不会影响高16位的数据。这些低16位寄存器分别命名为：AX、BX、CX和DX，它和先前的CPU中的寄存器相一致。
  4个16位寄存器又可分割成8个独立的8位寄存器(AX：AH-AL、BX：BH-BL、CX：CH-CL、DX：DH-DL)，每个寄存器都有自己的名称，可独立存取。程序员可利用数据寄存器的这种”可分可合”的特性，灵活地处理字/字节的信息。
  寄存器AX和AL通常称为累加器(Accumulator)，用累加器进行的操作可能需要更少时间。累加器可用于乘、 除、输入/输出等操作，它们的使用频率很高； 寄存器BX称为基地址寄存器(Base Register)。它可作为存储器指针来使用； 寄存器CX称为计数寄存器(Count Register)。在循环和字符串操作时，要用它来控制循环次数；在位操作 中，当移多位时，要用CL来指明移位的位数；
  寄存器DX称为数据寄存器(Data Register)。在进行乘、除运算时，它可作为默认的操作数参与运算，也 可用于存放I/O的端口地址。在16位CPU中，AX、BX、CX和DX不能作为基址和变址寄存器来存放存储单元的地址，但在32位CPU中，其32位寄存器EAX、EBX、ECX和EDX不仅可传送数据、暂存数据保存算术逻辑运算结果，而且也可作为指针寄存器，所以，这些32位寄存器更具有通用性。
• 变址寄存器
  32位CPU有2个32位通用寄存器ESI和EDI。其低16位对应先前CPU中的SI和DI，对低16位数据的存取，不影响高16位的数据。
  寄存器ESI、EDI、SI和DI称为变址寄存器(Index Register)，它们主要用于存放存储单元在段内的偏移量，用它们可实现多种存储器操作数的寻址方式，为以不同的地址形式访问存储单元提供方便。变址寄存器不可分割成8位寄存器。作为通用寄存器，也可存储算术逻辑运算的操作数和运算结果。它们可作一般的存储器指针使用。在字符串操作指令的执行过程中，对它们有特定的要求，而且还具有特殊的功能。
• 指针寄存器
  32位CPU有2个32位通用寄存器EBP和ESP。其低16位对应先前CPU中的SBP和SP，对低16位数据的存取，不影响高16位的数据。
  寄存器EBP、ESP、BP和SP称为指针寄存器(Pointer Register)，主要用于存放堆栈内存储单元的偏移量，用它们可实现多种存储器操作数的寻址方式，为以不同的地址形式访问存储单元提供方便。指针寄存器不可分割成8位寄存器。作为通用寄存器，也可存储算术逻辑运算的操作数和运算结果。
  它们主要用于访问堆栈内的存储单元，并且规定：
  BP为基指针(Base Pointer)寄存器，用它可直接存取堆栈中的数据；
  SP为堆栈指针(Stack Pointer)寄存器，用它只可访问栈顶。
• 段寄存器
  段寄存器是根据内存分段的管理模式而设置的。内存单元的物理地址由段寄存器的值和一个偏移量组合而成
  的，这样可用两个较少位数的值组合成一个可访问较大物理空间的内存地址。
  CPU内部的段寄存器：
  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。
  在16位CPU系统中，它只有4个段寄存器，所以，程序在任何时刻至多有4个正在使用的段可直接访问；在32位微机系统中，它有6个段寄存器，所以，在此环境下开发的程序最多可同时访问6个段。32位CPU有两个不同的工作方式：实方式和保护方式。在每种方式下，段寄存器的作用是不同的。有关规定简单描述如下：
  实方式： 前4个段寄存器CS、DS、ES和SS与先前CPU中的所对应的段寄存器的含义完全一致，内存单元的逻辑地址仍为”段值：偏移量”的形式。为访问某内存段内的数据，必须使用该段寄存器和存储单元的偏移量。
  保护方式： 在此方式下，情况要复杂得多，装入段寄存器的不再是段值，而是称为”选择子”(Selector)的某个值。
• 指令指针寄存器
  32位CPU把指令指针扩展到32位，并记作EIP，EIP的低16位与先前CPU中的IP作用相同。
  指令指针EIP、IP(Instruction Pointer)是存放下次将要执行的指令在代码段的偏移量。在具有预取指令功能的系统中，下次要执行的指令通常已被预取到指令队列中，除非发生转移情况。所以，在理解它们的功能时，不考虑存在指令队列的情况。
  在实方式下，由于每个段的最大范围为64K，所以，EIP中的高16位肯定都为0，此时，相当于只用其低16位的IP来反映程序中指令的执行次序。
• 标志寄存器
  • 运算结果标志位
    • 进位标志CF(Carry Flag)
      进位标志CF主要用来反映运算是否产生进位或借位。如果运算结果的最高位产生了一个进位或借位，那么，其值为1，否则其值为0。使用该标志位的情况有：多字(字节)数的加减运算，无符号数的大小比较运算，移位操作，字(字节)之间移位，专门改变CF值的指令等。
    • 奇偶标志PF(Parity Flag)
      奇偶标志PF用于反映运算结果中”1″的个数的奇偶性。如果”1″的个数为偶数，则PF的值为1，否则其值为0。
      利用PF可进行奇偶校验检查，或产生奇偶校验位。在数据传送过程中，为了提供传送的可靠性，如果采用奇偶校验的方法，就可使用该标志位。
    • 辅助进位标志AF(Auxiliary Carry Flag)
      在发生下列情况时，辅助进位标志AF的值被置为1，否则其值为0：
      • 在字操作时，发生低字节向高字节进位或借位时；
      • 在字节操作时，发生低4位向高4位进位或借位时。
        对以上6个运算结果标志位，在一般编程情况下，标志位CF、ZF、SF和OF的使用频率较高，而标志位PF和AF的使用频率较低。
    • 零标志ZF(Zero Flag)
      零标志ZF用来反映运算结果是否为0。如果运算结果为0，则其值为1，否则其值为0。在判断运算结果是否为0时，可使用此标志位。
    • 符号标志SF(Sign Flag)
      符号标志SF用来反映运算结果的符号位，它与运算结果的最高位相同。在微机系统中，有符号数采用补码表示法，所以，SF也就反映运算结果的正负号。运算结果为正数时，SF的值为0，否则其值为1。
    • 溢出标志OF(Overflow Flag)
      溢出标志OF用于反映有符号数加减运算所得结果是否溢出。如果运算结果超过当前运算位数所能表示的范围，则称为溢出，OF的值被置为1，否则，OF的值被清为0。”溢出”和”进位”是两个不同含义的概念，不要混淆。

计算机是如何工作的

实验过程

main.c文件：

通过gcc -S -o main.S main,c -m32,可以获得main.S也就是该段代码的反汇编代码.

去掉其中以"."开头的代码,因为这是汇编语言中的伪指令,是写给编译器看的,并不是真正的机器会执行的代码.然后我们得到下面的汇编代码:
main.s文件（处理后）：

该汇编指令频繁使用了三个寄存器ebp, esp和eax。ebp是基址指针寄存器；esp是栈指针寄存器，通常指向栈顶；eax可以暂存数据，同时也作为函数返回值的默认存储位置。

从main.s文件中可以清楚的看到三个函数的汇编代码，其中有一段代码重复出现

pushl	%ebp
movl	%esp, %ebp

这段代码在出现在每个函数的初始部分，相当于保存现场，与函数结束时的leave指令（恢复现场）相对应。

总结

本科就已经学习过汇编，这次学习相当于对寄存器有关知识进一步的加深了理解，最主要的是学习了函数调用堆栈相关汇编指令，如call/ret和pushl/popl，还有leave和enter。通过本次实验，让我对堆栈空间以及相应的EBP/ESP工作原理有了更直观的了解。