電腦是如何工作的？

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    此篇文章出於完成作業的目的，同時也總結一下自己的學習的體會，鞏固一下學習成果。是完全真實的作業過程。如需轉載請保留以下資訊：

    陳鐵 + 原創作品轉載請註明出處 + 《Linux核心分析》MOOC課程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000。

    今天電腦已經成為我們生活中重要不可分離的重要組成部分，從隨身攜帶的手機到超級電腦，大部分都遵循馮諾伊曼體繫結構：儲存程式、順序執行。程式編製好後，通過輸入裝置提供給電腦順序執行。只要人可以將需要解決的問題描述為電腦可以順序執行的指令序列，電腦就可以給出相應的結果。所以人們編製了電腦語言用來描述問題，現代電腦語言分為低級語言和進階語言，低級語言更接近機器，進階語言更接近人類。為了描述電腦的工作過程，我們採用接近機器的組合語言（組合語言）描述電腦的執行過程。

    實驗環境的主機作業系統是Windows7 64位，運行VirtualBox 4.3.20 Edition,虛擬機器安裝CentOS7.0 64bit，Linux kernel 3.10.0。gcc版本4.8.2，gdb版本GNU gdb (GDB) Red Hat Enterprise Linux 7.6.1-51.el7。

    以下是作業過程說明：

    1.C語言原始碼如下：

        #include <stdio.h>

        int g(int x) {
            return x+2;
        }
        int f(int x) {
            return g(x);
        }
        int main() {
            return f(7)+5;
        }

    2.執行命令進行gcc -S main.s main.c產生彙編代碼方便我們步進分析代碼的執行情況。執行gcc -g main.c -o main產生可用gdb調試的執行代碼。在linux終端下執行代碼情況如下：

    650) this.width=650;" src="http://s3.51cto.com/wyfs02/M00/5A/36/wKioL1T6j-nBaT5KAAEImRuKXiQ934.jpg" title="byxc.PNG" alt="wKioL1T6j-nBaT5KAAEImRuKXiQ934.jpg" />

    3.我們通過分析代碼流程也可以得到正確答案：

    程式從main開始執行，調用了f函數，把參數7傳過去賦給x。f函數又調用了g函數，把x也就是7傳過去，g函數得到參數x的值為7，返回7+2=9給f函數，f函數把9返回給main函數，main函數返回9+5=14作為程式的執行結果。在Linux終端下，14儲存在系統變數$?中。

    4.電腦系統我們可以抽象簡化為CPU、記憶體、輸入輸出幾部分。下面我們看一下這個程式在我的環境下，電腦是如何機械的的出這個14的。存在函數的程式會大量進行記憶體的堆棧操作，簡單的加法運算在此不展開介紹，重點對於堆棧的操作進行跟蹤。以下是cat main.s 所列出的彙編代碼，僅保留可執行檔部分。

g:         pushq   %rbp         movq    %rsp, %rbp         movl    %edi, -4(%rbp)         movl    -4(%rbp), %eax         addl    $2, %eax         popq    %rbp         ret f:         pushq   %rbp         movq    %rsp, %rbp         subq    $8, %rsp         movl    %edi, -4(%rbp)         movl    -4(%rbp), %eax         movl    %eax, %edi         call    g         leave         ret main:         pushq   %rbp         movq    %rsp, %rbp         movl    $7, %edi         call    f         addl    $5, %eax         popq    %rbp         ret

    （1）執行gdb main進入調試，l命令可以顯示出C語言代碼。break main設定斷點，使程式直行到程式開始處停下來，然後逐步執行，看一下電腦到底是如何工作的。run命令使程式開始執行。pushq %rbp;movq %rsp, %rbp後，此時rip指向rip=0x40051a。

    650) this.width=650;" src="http://s3.51cto.com/wyfs02/M00/5A/3A/wKiom1T6nhXiPrWIAAD7JKsRU-c586.jpg" title="brrun.PNG" alt="wKiom1T6nhXiPrWIAAD7JKsRU-c586.jpg" />

     （2）執行 info registers命令查看一下寄存器的情況。堆棧指標rbp和rsp指向相同的地址0x7fffffffe550，表明當前程式堆棧為空白。    650) this.width=650;" src="http://s3.51cto.com/wyfs02/M02/5A/36/wKioL1T6n8HzxPK9AAKPTqpeevM709.jpg" title="r1.PNG" alt="wKioL1T6n8HzxPK9AAKPTqpeevM709.jpg" />

這時彙編代碼儲存了堆棧原來的指標，作業系統開始調用main函數。可以看到rip指向下一條要執行指令的地址。

    （3）有函數調用，我們在gdb中執行stepi命令。執行movl    $7, %edi。

(gdb) stepi 0x000000000040051f      10              return f(7)+5; (gdb) print $rip $1 = (void (*)()) 0x40051f <main+9> (gdb) print $edi $1 = 7

    （4）這時把程式中傳給函數f的7儲存進了寄存器edi中，繼續執行，調用f函數。call f,執行的操作是當前rip=0x00400524值壓棧（在gdb中可以執行x %rsp命令查看），rsp-8，f函數所在地址放入rip中。電腦會執行f函數中的pushq $rbp;movq %rsp,%rbp；subq    $8, %rsp實際是儲存調用f函數前main函數的指標。此時rbp=0x7fffffffe540，rsp=0x7fffffffe538；而（rbp)儲存著調用前堆棧棧頂地址，當然棧頂移動8個位元組用來接受傳人的參數。

650) this.width=650;" src="http://s3.51cto.com/wyfs02/M00/5A/36/wKioL1T6sJKBVs0QAABm80xKEpw225.jpg" title="r2.PNG" alt="wKioL1T6sJKBVs0QAABm80xKEpw225.jpg" />650) this.width=650;" src="http://s3.51cto.com/wyfs02/M00/5A/37/wKioL1T6w8Hxb6qSAABQ4dhCHlI438.jpg" title="r0.PNG" alt="wKioL1T6w8Hxb6qSAABQ4dhCHlI438.jpg" />                              

    （5）執行3次stepi命令，movl %edi, -4(%rbp)；movl -4(%rbp), %eax；movl %eax, %edi 這三行指令很明確，從main傳過來的參數存入堆棧空間，然後通過eax寄存器儲存一下，在此放到edi中，準備傳給g函數。

650) this.width=650;" src="http://s3.51cto.com/wyfs02/M01/5A/37/wKioL1T6xMSRqXxEAAE0ROZPtco453.jpg" title="r5.PNG" alt="wKioL1T6xMSRqXxEAAE0ROZPtco453.jpg" />

    （6）調用g函數時call g：rip值壓棧；rsp-8；g地址賦給rip。

    650) this.width=650;" src="http://s3.51cto.com/wyfs02/M00/5A/3B/wKiom1T6xM_Af9tcAAGql9M-r-A704.jpg" title="r6.PNG" alt="wKiom1T6xM_Af9tcAAGql9M-r-A704.jpg" />

    接下來執行兩條初始化指令pushq %rbp；movq %rsp, %rbp，儲存後rbp、rsp變成了0x7fffffffe528。movl %edi, -4(%rbp)；movl -4(%rbp), %eax；addl $2, %eax，接受傳入的參數，通過eax執行加法，此時結果儲存在eax中。然後g函數執行恢複處理，popq  %rbp；ret，rsp指向0x7fffffffe538。

650) this.width=650;" src="http://s3.51cto.com/wyfs02/M01/5A/36/wKioL1T6t2ygiag8AAEwFi2z_00052.jpg" title="r3.PNG" alt="wKioL1T6t2ygiag8AAEwFi2z_00052.jpg" />

    （7）g函數返回時結果儲存在eax中。回到f函數代碼繼續執行。其中leave指令相當於

        movq %rbp, %rsp

        popq %rbp

    程式執行後寄存器情況如下：

650) this.width=650;" src="http://s3.51cto.com/wyfs02/M01/5A/37/wKioL1T6yeCR8m37AABhvAF94sQ270.jpg" title="r7.PNG" alt="wKioL1T6yeCR8m37AABhvAF94sQ270.jpg" />

    ret指令執行後rsp=0x7fffffffe548

    （8）完成f函數調用後，回到main函數執行addl $5, %eax語句。結果儲存在eax中。

650) this.width=650;" src="http://s3.51cto.com/wyfs02/M01/5A/36/wKioL1T6uLPwsTMwAAEXKM8g8Cw505.jpg" title="r4.PNG" alt="wKioL1T6uLPwsTMwAAEXKM8g8Cw505.jpg" />

    （9）後面代碼是完成main函數返回，原理和一般函數調用相同，在此不在分析。

    

    總結：在我最初接觸電腦的時候，上機的機時還是很奢侈的東西，那時就給自己制定了學習方法：首先根據教材所教的知識，在頭腦中類比電腦會如何執行，假定課本上的例子都是正確的，推匯出機器應當給出什麼樣的結果，當有機會在電腦上操作時再進行驗證。現在看來，那時的思路是對的，但由於沒能堅持，今天的電腦水平還是一般。就本質而言，今天的電腦的確就是類比人的操作過程，程式員如何設計的程式，電腦就會不折不扣的執行。

本文出自 “StudyPark” 部落格，請務必保留此出處http://swordautumn.blog.51cto.com/1485402/1618288

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