ics第二周:程序的机器级表示

C+V2024-09-202024-10-06

前言
处理器架构
处理器架构（Processor Architecture）是指计算机处理器内部的设计框架或蓝图，它定义了处理器如何执行指令、管理数据、通信等一系列操作。处理器架构是计算机硬件和软件之间的桥梁，决定了处理器如何与操作系统、编译器以及程序交互。

关键组成部分：

指令集架构（ISA）：

指令集架构是处理器架构的核心部分，定义了处理器可以理解和执行的基本指令。例如，x86 和 ARM 是两种常见的指令集架构。

它包括指令的操作码（操作类型）和操作数（需要处理的数据）。ISA 还定义了寄存器的数量和大小、内存访问模式以及数据类型等内容。

寄存器和内存模型：

不同的处理器架构定义了不同的寄存器数量和大小。寄存器是处理器内部用于快速存储和处理数据的高速存储器。

内存模型决定了处理器如何与内存通信，例如是采用分段式、分页式内存管理等。

并行处理能力：

现代处理器架构通常支持多核和多线程，允许多个任务并行处理。架构设计决定了处理器如何调度这些任务和共享资源。

扩展和特性：

处理器架构还可以决定一些高级特性，如虚拟化支持、加密加速、浮点计算能力、低功耗设计等。

常见处理器架构：

x86 和 x86-64：

由 Intel 和 AMD 主导，主要用于台式机、笔记本电脑和服务器。

x86 是32位架构，x86-64 是其64位扩展版，能够支持更大的内存空间。

ARM：

ARM 是一种精简指令集（RISC）架构，广泛用于移动设备、嵌入式系统以及低功耗应用。

具有高效能效比，因此被应用在智能手机、平板电脑和物联网设备中。

RISC-V：

RISC-V 是一种开放源代码的 RISC 架构，逐渐受到关注，因为它允许开发者和公司自由定制处理器设计。

为什么处理器架构重要？
处理器架构直接影响计算机系统的性能、功耗、兼容性和成本。不同架构的处理器通常专门为特定应用场景进行优化，如桌面应用、移动设备、服务器、大数据处理等。

总结：
处理器架构定义了计算机处理器的工作方式，包括指令执行、数据存储和通信等方面。它是硬件设计的基础，同时影响操作系统和软件如何与处理器交互。常见的处理器架构包括 x86、ARM 和 RISC-V 等。

Intel处理器的发展
Intel处理器的发展历史可以追溯到1971年，标志着现代计算技术的兴起。以下是其简要发展历程：

1. 1970s：4004与8086时代

Intel 4004（1971年）：世界上第一款商用微处理器，由Intel推出。这是一款4位处理器，最早用于计算器中。

Intel 8086（1978年）：Intel的第一款16位处理器，它引领了x86架构的诞生。该架构成为Intel处理器的基础，直到今天。

2. 1980s：80386与x86架构的兴起

Intel 80386（1985年）：第一款32位处理器，引入了虚拟内存支持和多任务处理功能，大大提升了计算能力。它奠定了PC市场的基础，使个人电脑逐渐普及。

3. 1990s：奔腾系列与高速计算

Intel Pentium（1993年）：这标志着奔腾系列处理器的开始，它们具有强大的浮点运算能力，广泛应用于图形处理、游戏和科学计算领域。

Pentium Pro（1995年）：引入了多级缓存和超标量架构，极大提高了并行处理能力。

4. 2000s：多核与移动计算

Intel Core系列（2006年）：引入多核处理器技术，开始从单核向多核架构转变，提升了并行处理能力。Intel Core系列迅速成为消费类PC的主流处理器。

Intel Atom（2008年）：一款低功耗处理器，专为移动设备和嵌入式设备设计，旨在优化电池续航。

5. 2010s：超线程与集成GPU

Intel Core i3/i5/i7系列：这几代产品逐渐成为市场主流，集成了超线程技术与集成图形处理器（GPU），使其在性能和图形处理能力上有显著提升。

Intel Xeon系列：用于服务器和高性能计算领域，提供了更强的并行处理和多任务处理能力。

6. 2020s：10nm与Alder Lake架构

10nm制程技术：尽管面临一些生产挑战，Intel最终在2020年推出了基于10nm制程的处理器，进一步提升了功耗效率。

Alder Lake（2021年）：采用混合架构，结合高性能核心与高能效核心，类似于ARM架构中的big.LITTLE设计，为未来的高效计算奠定了基础。

总结
Intel处理器在过去的50年中经历了从简单的4位计算器芯片到复杂的多核、多线程处理器的巨大转变。Intel通过创新的架构、制程和多核心设计，不断推动计算能力的发展和提升，主导了全球PC市场。

指令集
指令集（Instruction Set Architecture, ISA）是处理器能够执行的指令集合，它定义了计算机的硬件如何理解和执行程序。简单来说，指令集是处理器与软件之间的接口，规定了程序如何控制处理器的行为。

指令集的主要功能：

指令的定义：指令集规定了所有可以执行的操作，如数据传输（例如将数据从内存加载到寄存器）、算术运算、逻辑运算、控制转移（如跳转、条件分支）等。

数据类型和寄存器：指令集定义了处理器支持的数据类型（如整数、浮点数）和寄存器的数量、大小等。

寻址模式：指令集规定了处理器如何访问内存和寄存器中的数据，即寻址方式（例如直接寻址、间接寻址、基址+偏移等）。

存储管理：一些指令集还包括内存管理、缓存和输入输出管理等机制。

常见的指令集架构：

x86：由 Intel 和 AMD 使用，是 CISC（复杂指令集）架构的典型代表，应用于大多数个人电脑和服务器。

ARM：广泛应用于移动设备和嵌入式系统，属于 RISC（精简指令集）架构。

RISC-V：开源的 RISC 指令集，越来越受到关注，允许开发者自由定制处理器。

总结：
指令集是处理器理解和执行软件的规则和规范。它决定了硬件能执行哪些操作、支持的数据类型、内存访问方式等。不同的处理器架构拥有不同的指令集，这影响了软件的设计与优化方式。

导航------------------------------------------------------------------------------------------>

计算机能读懂的只有零和一，而我们用汇编去和计算机『感同身受』。接近硬件底层，很多代码中再平常不过的概念，具体实现起来则并没有看起来那么『理所当然』。

从C到机器代码

机器代码，说白了，就是01序列，这也是计算机能读懂的直接可执行的代码，但显然，其不适合人读。所以，把字节按照具体含义进行『翻译』，就成了人类可以阅读的汇编代码。即汇编代码是机器代码的文本表示。注意：『翻译』并不是编译。

C语言与机器代码是完全不同的逻辑。机器代码就纯粹从执行的角度思考，而C作为一门高级语言，其抽象级别很高。而且高级语言编写的程序是可以在很多不同的机器上编译和执行的。

“一门新语言绝非只是一套语法规则，而是一系列配套的工具加上语法规则。C 语言代码最终成为机器可执行的程序，会像流水线上的产品一样接受各项处理”

gcc如何使C变成机器代码

C预处理器通过插入所用#include命令指定文件，并扩展所有#define声明指定的宏来扩展源代码

源代码(da.c, wang.c)经过编译器的处理(gcc -0g -S)成为汇编代码(da.s, wang.s)

汇编代码(da.s, wang.s)经过汇编器的处理(gcc 或 as)成为对象程序(da.o, wang.o),即目标代码文件，目标代码是机器代码的一种形式，包含所有指令的二进制表示，但是没有填入全局值的地址。

对象程序(da.o, wang.o)以及所需静态库(lib.a)经过链接器的处理(gcc 或 ld)最终成为计算机可执行的程序

我们来看一段C语言及其编译生成的汇编代码。

// 代码文件: sum.c
long plus(long x, long y);

void sumstore(long x, long y, long *dest)
{
    long t = plus(x, y);
    *dest = t;
}

其对应的汇编代码是

sumstore:
    pushq   %rbx
    movq    %rbx, %rbx
    call    plus
    movq    %rax, (%rbx)
    popq    %rbx
    ret

可以看到，汇编代码有着统一的格式。在汇编代码中，第一个字符串叫做操作符，后面可能跟着1/2/3个一逗号分隔的操作数，为什么是以这样的形式呢？这就要从处理器的运算方式讲起了，先来看看处理器是如何配合内存进行计算的：

程序计数器（PC,Program counter）- 存着下一条指令的地址，在x86-64中称为RIP
寄存器(Register) - 用来存储数据以便操作
条件代码(Codition codes) - 通常保存最近的算术或逻辑操作的信息，用来做条件跳转

这里需要注意，处理器能够执行的操作其实是非常有限的，简单来说只有三种：存取数据、计算和传输控制。存取数据是在内存和寄存器之间传输数据，进行计算则是对寄存器或者内存中的数据执行算术运算，传输控制主要指非条件跳转和条件分支。这也就是为什么汇编代码有固定的 指令操作数1 (,操作数2 ,操作数3) 这样的形式了。

比较

// C 代码
*dest = t;

// 对应的汇编代码
movq    %rax, (%rbx)

// 对应的对象代码
0x40059e:   46 89 03

C 代码的意思很简单，就是把值 t 存储到指针 dest 指向的内存中。对应到汇编代码，就是把 8字节（也就是四个字, Quad words）移动到内存中（这也就是为什叫做 movq）。t 的值保存在寄存器 %rax 中，dest 指向的地址保存在 %rbx 中，而 *dest 是取地址操作，对应于在内存中找到对应的值，也就是 M[%rbx]，在汇编代码中用小括号表示取地址，即 (%rbx)。最后转换成 3 个字节的指令，并保存在 0x40059e 这个地址中。

访问信息

寄存器

寄存器是计算机中央处理器（CPU）中的一种非常小且速度极快的存储单元，专门用于存储处理过程中需要立即访问的数据。寄存器的存储容量通常较小（几位到几百位不等），但其读取和写入速度比主内存快得多，因为它们位于处理器的内部。

其包含一组16个存储64位值的通用目的寄存器。

在 x86-64 架构的处理器中，有一组 16个通用目的寄存器，这些寄存器可以存储 64位 的值，适用于多种数据处理任务，包括算术运算、逻辑运算、内存寻址等。它们是程序运行时CPU操作的核心寄存器。

1. RAX（累加寄存器，Accumulator）

用于算术运算、返回值的存储等。比如，在函数调用后，RAX 中会保存函数的返回值。

2. RBX（基址寄存器，Base）

通常用于存储内存地址，也可以作为通用寄存器使用。

3. RCX（计数器寄存器，Counter）

常用于循环和字符串操作。在 rep 指令中，RCX 用作循环计数器。

4. RDX（数据寄存器，Data）

常与RAX配合，用于乘法、除法等复杂算术运算。

5. RSI（源索引寄存器，Source Index）

通常在内存复制、字符串操作时，用作源地址指针。

6. RDI（目的索引寄存器，Destination Index）

常与RSI配合，用于字符串操作时的目标地址指针。

7. RBP（基址指针寄存器，Base Pointer）

常用于栈操作，尤其是在函数调用时保存调用栈的基地址。它可以帮助访问局部变量和参数。

8. RSP（栈指针寄存器，Stack Pointer）

指向当前栈的顶部，用于函数调用、返回地址的保存及局部变量的管理。

9. R8 到 R15（扩展通用寄存器）

在x86-64架构中新增的8个通用寄存器。这些寄存器提供额外的空间，进一步提升了多线程和并行计算时的效率。

R8、R9、R10、R11：这些寄存器通常用于函数调用时保存参数值。

R12、R13、R14、R15：作为额外的通用寄存器，灵活用于各种数据处理任务。

使用模式

这些寄存器不仅限于64位操作。根据需要，它们也可以访问寄存器的低32位、16位甚至8位。例如，RAX 的低32位部分可以通过 EAX 访问，低16位部分可以通过 AX 访问，最低8位部分可以通过 AL 访问。

总结：
这些16个通用寄存器是x86-64架构中进行各种操作的基础。它们支持高效的数据处理，并能大大提高程序执行的速度和效率。

当指令以寄存器作为目标时，对于生成小于8字节结果的指令：

生成1字节和2字节数字的指令会保持剩下的字节不变

生成4字节数字的指令会把高位4个字节置为0

前六个寄存器(%rax, %rbx, %rcx, %rdx, %rsi, %rdi)称为通用寄存器，有其『特定』的用途：

%rax(%eax) 用于做累加
%rcx(%ecx) 用于计数
%rdx(%edx) 用于保存数据
%rbx(%ebx) 用于做内存查找的基础地址
%rsi(%esi) 用于保存源索引值
%rdi(%edi) 用于保存目标索引值

而 %rsp(%esp) 和 %rbp(%ebp) 则是作为栈指针和基指针来使用的。

寻址

操作数分为三种类型：

立即数(immediate),用来表示常数值。书写:$IMM（IMM为常数值），IMM就是该地址存放的值
寄存器(register),表示某个寄存器的内容。书写：$$R[r_a]$$
内存引用，它会根据计算出来的地址（通常称为有效地址）访问某个内存地址

我们用符号
$$
M_b[Addr]
$$
表示对存储在内存中从地址Addr开始的b个字节值的引用。为了方便，我们通常省去下标b

$$
Imm(r_b,r_i,s)
$$

表示的是最常用的形式，由四个组成部分：

立即数便宜Imm
基址寄存器(必须是64位)
$$
r_b
$$
变址寄存器(必须是64位，除了**%rsp**)
$$
r_i
$$
比例因子s(s必须是1、2、4或者8)

一个例子：

数据传送指令

Intel用术语”字(word)”表示16位数据类型，因此32位数据称为“双字”，称64位数位“四字”。

MOV类：把数据从源位置复制到目的位置

源操作数可以是立即数、寄存器值或内存值的任意一种，但目标操作数只能是寄存器值或内存值。指令的具体格式可以这样写 movq [Imm|Reg|Mem], [Reg|Mem]，第一个是源操作数，第二个是目标操作数，例如：

movq Imm, Reg -> mov $0x5, %rax -> temp = 0x5;
movq Imm, Mem -> mov $0x5, (%rax) -> *p = 0x5;
movq Reg, Reg -> mov %rax, %rdx -> temp2 = temp1;
movq Reg, Mem -> mov %rax, (%rdx) -> *p = temp;
movq Mem, Reg -> mov (%rax), %rdx -> temp = *p;

注意：(%rax)与(%rbx)均表示间接寻址，参见上表

有一个限制，传送指令的两个操作数不能都指向内存位置。

因此，将一个值从一个内存位置复制到另一个内存位置需要两条指令

先将源值加载到寄存器中
将寄存器值写入目的位置

再注意:

以上这些指令的寄存器操作数可以是16个寄存器有标号部分中的任意一个，
寄存器部分的大小必须与指令最后一个字符（’b’,’w’,’l’或’q’）指定的大小匹配
大多数情况下，MOV指令只会更新目的操作数指定的那些寄存器字节或内存位置，但是！！！
- movl指令以寄存器作为目的时，它会把该寄存器的高位4字节设置成0
常规的movq指令只能以表示为32位补码数字的立即数作为操作数，然后把这个值符号扩展得到64位的值，放到目的位置
movabsq指令能够以任意64位立即数值作为源操作数，并且只能以寄存器作为目的。

将小的源值复制到较大的目的的数据移动指令

注意：

没有指令将4字节源值零扩展到8字节，因为前面提到的movl就天然完成这个
cltq指令没有操作数，其等价于movslq %eax,%rax

数据传送实例

long exchange(long *xp,long y)
{
 long x=*xp;
 *xp=y;
 return x;
}

对应的汇编代码是

exchannge:
	movq	(%rdi),%rax	//(%rdi)间接寻址找到*xp，并复制到%rax寄存器上，即复制给x
	movq	%rsi,(%rdi)	//再把%rsi上的值即x复制给(%rdi)间接寻址到的地址即*xp
	ret					//返回

C语言中所谓的“指针”其实就是地址(间接引用指针就是将该指针放在一个寄存器中，然后在内存引用中使用这个寄存器)
像x这种局部变量通常是保存在寄存器中，而不是内存中。访问寄存器要比访问内存快的多。

压入和弹出栈数据
栈:先进后出

通过pop操作删除数据时，弹出的值永远是最近被压入而且仍然在栈中的值。

栈顶:插入和删除元素的那一端。

在x86-64架构中，程序栈存放在内存中某个区域，栈向下增长，因此栈顶元素时所有栈中元素地址中最低的。栈指针%rsp保存着栈顶元素的地址

解释：

当使用pushq S指令时，要先扩容，即栈顶指针%rsq先减8，再把S存储到(%rsq)中，注意括号哦，因此该指令等价于下面这两条
- subq $8,%rsp（这个是减法指令，用%rsp减去8）
- movq %rbp,(%rsp)
当使用popq D指令时，要先传值，再减容，即先将(%rsp)传给目标地址D,再将栈顶指针加8.因此该指令等价于下面两条
- movq (%rsp),%rax
- addq $8,%rsp（加法操作，就是把%rsp加8）

看个例子

一点需要注意的就是，即使pop之后，%rsp虽然不再指向0x100位置，但是0x100位置存的0x123的值仍然在那，直到下次被覆盖。

算术和逻辑操作

四组操作：加载有效地址、一元操作、二元操作和移位

这些指令类有各种带不同大小操作数的变种(只有leaq没有其他大小的变种)

例如ADD由四条加法指令组成:addb、addw、addl和addq

加载有效地址

leaq指令并不会真正的访问内存，它的第一个操作数看上去是一个内存引用，但该指令并不是从指定位置读入数据，而是将有效地址写入到目的操作数。也就是说，即是讲第一个操作数存放的值写入目的操作数。

看看GPT给出的几个例子吧。

这里有两个具体的 leaq 指令例子，帮助理解它在不同情况下的应用：

示例 1：计算指针偏移
>leaq 8(%rbp), %rax
解释：

这条指令计算 rbp + 8，并将结果存储在寄存器 %rax 中。

它并不访问内存，只是单纯计算地址，这可以用于实现指针运算。例如，若 %rbp 指向一个数组的起始位置，那么此操作可以计算出该数组第 2 个元素的地址（假设每个元素占用 8 字节）。

示例 2：代替乘法和加法
>leaq (%rsi,%rsi,2), %rax
解释：

这条指令相当于计算 rsi * 2 + rsi，即 rsi * 3，并将结果存储在 %rax 中。

通过 leaq，我们可以用一种非常高效的方式来执行乘法操作，而不必使用更慢的 imul 指令。注意，这种用法也只是计算，而不会访问内存。

示例 3：复杂的地址计算
>leaq 4(%rbx,%rbx,2), %rax
解释：

该指令计算 rbx * 2 + rbx + 4，即 3 * rbx + 4，并将结果存储在 %rax 中。

这是一个结合了加法、乘法和偏移量的有效地址计算，通常用于数组或复杂的指针运算。

使用场景：

指针运算：在访问数组时，计算某个偏移位置的内存地址。

代替算术运算：可以替代乘法和加法，用于快速计算值。

通过这几个例子，leaq 可以高效地完成内存地址计算或算术运算，但不会进行实际的内存访问，这是它的一个重要特点。

一元和二元操作

一元操作数顾名思义只有一个操作数，既是源也是目的，这个操作数只能是寄存器和内存。
二元操作数，第一个操作数三种均可，第二个只能是寄存器或是内存位置
- 注意：
- 第二个操作数是内存地址时，处理器必须从内存读出值，执行操作，再把结果写回内存

移位操作

第一个操作数是移位量（立即数、单字节寄存器(%cl，很特别，只允许这个特定的寄存器作为操作数)），第二个操作数是要移位的数

注意这个

我们来看一个C转变成汇编的例子

特殊的算术操作

imulq指令有两种不同的形式

IMUL指令类的一种，此时imulq是一个双操作数，它从两个64位操作数产生一个64位乘积
单操作数，来计算两个64位的全128位乘积
- 必须要求一个参数在寄存器%rax内，另一个作为指令的源操作数
- 乘积及存在%rdx(高64位)和%rax（低64位）

例子：

这里由于生成代码针对的是小端法机器，所以高位字节存储在大地址。

除法和取模运算

例子：

把qp保存到另一个寄存器中是因为除法操作要使用参数寄存器%rdx.

前言

处理器架构

关键组成部分：

常见处理器架构：

为什么处理器架构重要？

总结：

Intel处理器的发展

1. 1970s：4004与8086时代

2. 1980s：80386与x86架构的兴起

3. 1990s：奔腾系列与高速计算

4. 2000s：多核与移动计算

5. 2010s：超线程与集成GPU

6. 2020s：10nm与Alder Lake架构

总结

指令集

指令集的主要功能：

常见的指令集架构：

总结：

从C到机器代码

访问信息

寄存器

1. RAX（累加寄存器，Accumulator）

2. RBX（基址寄存器，Base）

3. RCX（计数器寄存器，Counter）

4. RDX（数据寄存器，Data）

5. RSI（源索引寄存器，Source Index）

6. RDI（目的索引寄存器，Destination Index）

7. RBP（基址指针寄存器，Base Pointer）

8. RSP（栈指针寄存器，Stack Pointer）

9. R8 到 R15（扩展通用寄存器）

使用模式

总结：

寻址

数据传送指令

数据传送实例

压入和弹出栈数据

算术和逻辑操作

加载有效地址

示例 1：计算指针偏移

示例 2：代替乘法和加法

示例 3：复杂的地址计算

使用场景：

一元和二元操作

移位操作

特殊的算术操作