YeLi’s Blog
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NotesAbout

Assembly

汇编语言是二进制指令的文本形式，与指令是一一对应的关系。

计算机组成

总线

总线分为地址总线、数据总线、控制总线。
  • CPU通过地址总线指定存储单元，地址总线的宽度（条数）决定了可寻址的存储单元的大小。宽度为n的地址总线对应的寻址空间为2^n B。如8086地址总线为20，寻址能力1MB。
  • CPU与内存或其它器件之间的数据传送是通过数据总线进行的。数据总线的宽度决定了CPU与外界数据的传输速度。如8086数据总线宽度16，一次可传输2B的数据。
  • CPU通过控制总线对外部器件进行控制。
CPU要想进行数据读写，需要通过三类信息进行交互：
  • 存储单元的地址（地址信息）
  • 器件的选择，读或写命令（控制信息）
  • 读或写的数据（数据信息）
如汇编指令：mov al,[3]，含义为从3号单元读取数据送入寄存器al。地址总线发送地址，控制总线传输读信号，数据线传回3号单元内的数据。

存储器

将各类存储器（RAM、ROM）看作一个逻辑存储器进行统一编址，每个物理存储器在这个逻辑存储器上占一段地址空间。CPU在这段地址空间上读写数据，实际上是在对应的物理存储器中读写数据。
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以8086为例：
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寄存器

8086CPU有14个寄存器，都是16位的：
  • 通用寄存器
    • AX
    • BX
    • CX
    • DX
  • 变址寄存器
    • SI
    • DI
  • 指针寄存器
    • SP
    • BP
  • 指令指针寄存器
    • IP
  • 段寄存器
    • CS
    • SS
    • DS
    • ES
  • 标志寄存器
    • PSW
其中通用寄存器又可以分为两个独立的8位寄存器使用。如AX可以分为AH和AL，分别表示AX的高8位和低8位。
常见的32位CPU、64位CPU指的是字长（word size），也就是寄存器大小。如32位CPU寄存器大小是4字节；8086是16位CPU，字长是16bit，一个字（word）可以存在一个16位寄存器中，这个字的高位字节存在这个寄存器的高8位寄存器，低位存在低8位寄存器。
 
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物理地址

8086有20位地址总线，可传送20位地址，寻址能力为1M，但因为是16位CPU，内部处理、传输的地址也是16位地址，寻址能力只有64KB。因此，需要用两个16位的地址（段地址*16+偏移地址），合成一个物理地址。
 
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内存模型

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堆 Heap

程序运行过程中，对于动态内存占用的请求，如新建对象、使用malloc命令等，系统会从预先分配好的内存中划出一部分给用户（从低位地址向高位地址划分）。这种因为用户主动请求而划分出的内存区域叫堆。
堆的一个重要特点就是不会自动消失，必须手动释放或由垃圾回收机制回收。

栈 Stack

系统执行函数时会在内存里面建立一个帧（frame），函数中所有内部变量保存在帧内。函数执行结束，帧会被回收，释放所有内部变量，不再占用空间。
如果函数中调用了其它函数，系统也会为其新建一个帧。该函数运行结束，系统会回到原函数中断的位置继续执行。通过这种机制就实现了函数的层层调用，且每一层都能使用自己的本地变量。一般来说调用栈有多少层就有多少帧。
栈是由内存区域结束地址开始，从高位向低位分配。

CPU指令

如下c语言程序example.c：
int add_a_and_b(int a, int b) { return a + b; }
int main() { return add_a_and_b(2, 3); }
使用gcc -S 转换为汇编后简化的example.s如下：
_add_a_and_b: 
	push %ebx 
	mov %eax, [%esp+8]  
	mov %ebx, [%esp+12] 
	add %eax, %ebx  
	pop %ebx  ret

_main: 
	push 3 
	push 2 
	call _add_a_and_b  
	add %esp, 8 ret
其中每行是CPU执行的一次打操作。如：
push %ebx
push是CPU指令，%ebx是指令用到的运算子。每个CPU指令可以有零个或多个运算子。
程序由_main标签开始执行，系统在栈上为main建立一个帧，并将栈指向的地址写入ESP寄存器。

push指令

push 3
push 2
用于将运算子放入栈，这里是将3和2写入main帧。
push指令包含了一个前置操作，它会先取出ESP寄存器里面的地址，将其减去4个字节，然后将新地址写入ESP寄存器。两次操作累计减去8字节。

call指令

call _add_a_and_b
表示调用add_a_and_b函数，并为该函数建立一个新的帧。
push %ebx
将EBX寄存器中的值，写入_add_a_and_b帧。使用该寄存器，将里面的值暂存，用完后写回EBX。
此时，push指令累计减去12字节。

mov指令

用于将一个值写入寄存器
mov %eax, [%esp+8]
mov %ebx, [%esp+12]
先将ESP寄存器里面地址加8个字节，得到新的地址，然后按该地址在栈中取出数据2，再将2写入EAX。加12字节，重复该过程取出3写入EBX。

add指令

把两个运算子相加，并将结果写入第一个运算子。
add %eax, %ebx
EAX的值2加上EBX的值3，得到结果5并写回EAX。

pop指令

用于取出栈顶的值，并写入运算子指定的位置。
pop %ebx
取出EBX原始值，写回EBX。
执行一个后置操作，将ESP寄存器地址加4，即回收4个字节。

ret指令

用于终止当前函数执行，将运行权交还上层函数。当前函数的帧被回收。
add %esp, 8
将ESP寄存器里面的地址手动加上8字节，再写回ESP。
因为ESP寄存器中是栈的写入开始地址，前面pop已经回收4字节，这里回收8字节，等于全部回收。
 
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