指令集架构

• Instruction Set Architecture，ISA
• 复杂指令集（Complex Instruction Set Computer）
  • 包含许多应用程序中很少使用的特定指令
  • x86
• 精简指令集（Reduced Instruction Set Computer）
  • 包含的指令少
  • 提供比较高的速度
  • 处理器的尺寸更小，
  • 以及较少的电力损耗
  • ARM、MIPS

机器语言

• 机器码(Machine Code)，由01组成，是处理器执行的字节级程序（01序列）
• 每一条语句都是01组成
• 穿孔纸带保存程序(1打孔，0不打孔)

举例：8086CPU完成运算 S = 768 + 12288 - 1280，对应机器码
101100000000000000000011
000001010000000000110000
001011010000000000000101

汇编语言

由汇编指令、伪指令等组成

• 汇编码(Assembly Code)：机器指令的便于记忆和阅读的书写格式，人类可读，比如add 、 mov等

机器指令： 1000100111011000
操 作：寄存器bx的内容送到ax中
汇编指令：movw %bx, %ax

• 高级语言–>汇编指令–>汇编器–>机器码–>被计算机识别
• 汇编语言无可移植性，高级语言具有可移植性

AT&T 汇编、Intel汇编格式的差别

寄存器

• CPU内部的高速储存单元，访问速度远高于内存
• rdx、edx、dx分别表示64位、32位、16位的dx寄存器
  • r：Register
  • e：extend

通用寄存器

• EAX
  • 拓展累加寄存器，乘法、除法被自动使用
  • 保存函数的返回值
• ECX 循环计数器
• ESI、EDI 源变址寄存器、目的变址寄存器
• ESP 栈顶指针
• EBP 栈底指针

段寄存器（segment register）

实模式下，段地址：偏移地址构成地址，而段寄存器保存段地址

• CS：存放代码段地址
• SS：存放堆栈段地址
• DS
  • 实模式下：数据段地址
  • 保护模式下：段描述符表的地址
• ES：拓展段寄存器
• FS：标志段寄存器
• GS：全局段寄存器

EIP

• 指令（Instuctor）指针（pointer）寄存器
• 始终存放下一条要被CPU执行的指令的地址

EFLAGS

反映CPU执行的算术和逻辑操作结果的状态标志

• OF：overflow flag
• ZF：zero flag
• CF：carry flag
• SF：sign flag
• AF：assistant carry flag
• PF：parity flag

系统寄存器

仅允许运行在最高特权级的程序（例如：操作系统内核）访问的寄存器，任何应用程序禁止访问

• 中断描述符表寄存器IDTR：保存中断描述符表的地址。
• 全局描述符表寄存器GDTR
  • 保存全局描述符表的地址，全局段描述符表包含了任务状态段和局部描述符表的指针
• 局部描述符表寄存器LDTR
  • 保存当前正在运行的程序的代码段、数据段和堆栈段的指针
• 任务寄存器
  • 保存当前执行任务的任务状态段的地址。
• 调试寄存器
  • 用于调试程序时设置断点

实模式&保护模式的异同

实模式

• 20位地址总线，可以访问1MB(0~FFFFF)内存（$2^{20}$=1MB）
• 16位数据线，需要内存分段才能表示20位地址
• 段：内存空间被划分为64KB的段
• 段地址存放于16位的段寄存器中（CS、DS、ES、SS）
• 物理地址=段地址*10H+偏移地址

保护模式

• 32位地址总线寻址，每个程序可寻址4GB内存：0~FFFFFFFF（$2^{32}=2^{30}\ast 4$）
• 段寄存器(CS、DS、SS、ES、FS和GS)指向段描述符表项
  • 操作系统使用段描述符表定位程序使用的段的位置
  • CS存放代码段描述符表项的地址
  • DS存放数据段描述符表项的地址
  • SS存放堆栈段描述符表项的地址
• 所有段被映射到32位物理地址空间
• 程序至少两个段：代码段和数据段(CS、DS)
• 分页：将一个段分割成称为页（Pages）的4KB的内存块
• 缺页：当任务运行时，当前活跃的执行代码保留在内存中，而程序中当前未使用的部分，将继续保存在磁盘上。当CPU需要执行的当前代码存储在磁盘上时，产生一个缺页错误，引起所需页面的换进(从磁盘载入内存)
• 分页意义：通过分页以及页面的换进、换出，一台内存有限的计算机上可以同时运行多个大程序，让人感觉这台机器的内存无限大，因此称为虚拟内存

计算机是怎么运行的

• 取指令
  • 在地址CS:IP/EIP/RIP处取出指令（分别对应实模式、32位、64位）
  • IP/EIP/RIP = IP/EIP/RIP + 所读取指令的长度
  • IP/EIP/RIP指向下一条指令
• 执行指令
  • 执行
  • 取指令
• 重复上面过程

lea 指令解析

它（指leaq）的指令形式是从内存读数据到寄存器，但实际上它根本就没有引用内存。他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的位置读入数据，而是将有效地址写入到目的操作数

lea：load effective address

leaq (%rdi,%rsi,4), %rax

• 源操作数：(%rdi,%rsi,4)
• 目的操作数：%rax
• 作用：将源操作数的地址，也即是%rdi + 4 * %rsi 装载入%rax。%rax=%rdi + 4 * %rsi

leal [A, B, C] D 的语义就是 D = A + B * C

• 可以把A理解为数组的基地址
• C理解为数组的某个元素
• 该指令就是将A数组的第C个元素的地址存到D里面

Intel汇编代码示例

; hello.asm
.data ; 数据段声明
msg db "Hello, world! --------- Intel ASM .", 0xA ; 要输出的字符串
len equ $ - msg ; 字串长度
.text ; 代码段声明
global _start ; 指定入口函数
_start: ; 在屏幕上显示一个字符串
mov edx, len ; 参数三：字符串长度
mov ecx, msg ; 参数二：要显示的字符串
mov ebx, 1 ; 参数一：文件描述符(stdout)
mov eax, 4 ; 系统调用号(sys_write)
int 0x80 ; 调用内核功能
; 退出程序
mov ebx, 0 ; 参数一：退出代码
mov eax, 1 ; 系统调用号(sys_exit)
int 0x80 ; 调用内核功能

AT&T汇编代码示例

  #hello.s
.data # 数据段声明
msg : .string "Hello, world! --------- AT&T ASMrn " # 要输出的字符串
len = . - msg # 字串长度
.text # 代码段声明
.global _start # 指定入口函数
_start: # 在屏幕上显示一个字符串
movl $len, %edx # 参数三：字符串长度
movl $msg, %ecx # 参数二：要显示的字符串
movl $1, %ebx # 参数一：文件描述符(stdout)
movl $4, %eax # 系统调用号(sys_write)
int $0x80 # 调用内核功能
# 退出程序
movl $0,%ebx # 参数一：退出代码
movl $1,%eax # 系统调用号(sys_exit)
int $0x80 # 调用内核功能

最后

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