汇编入门第一篇,小白也能看懂

汇编代码是计算机的一种低级表示,它是一种低级语言,可以从字面角度去理解它,包括处理数据、管理内存、读写存储设备上的数据,以及利用网络通信等。编译器生成机器码经过了一系列的转换,这些转换遵循编程语言、目标机器的指令集 和操作系统。

指令集

指令集就是指挥计算机工作的指令,因为程序就是按照一定执行顺序排列的指令。因为计算机的执行控制权由 CPU 操作,所以指令集就是 CPU 中用来计算和控制计算机的一系列指令的集合。每个 CPU 在产出时都规定了与硬件电路相互配合工作的指令集。

指令集有不少分类,但是一般分为两种,一种是精简指令集,一种是复杂指令集。具体描述如下

精简指令集

精简指令的英文是 reduced instruction set computer, RISC,原意是精简指令集计算,简称为精简指令集,是 CPU 的一种 设计模式,可以把 CPU 想象成一家流水线工厂,对指令数目和寻址方式都做了精简,使其实现更容易,指令并行执行程度更好,编译器的效率更高。

常见的精简指令集处理器包括 ARM、AVR、MIPS、PARISC、RISC-V 和 SPARC

所以你就能理解

汇编入门第一篇,小白也能看懂

这本书是讲啥的了。

它主要是基于 MIPS 体系结构把冯诺依曼体系的五大组件进行了逐一的硬件实现 + 软件设计介绍,更为重要的是引入了诸多并行计算的内容,这是大部分教材中忽略或者内容较少的,会根据这个思路把并行相关的内容,结合 OpenMP, CUDA 和 Hadoop/Spark 整体融入到新书中,毕竟这是未来发展的趋势

还有这本书

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这本书又是讲啥的。

这本书是讲 RISC-V 指令集的,因为指令集的不同也区分了三个版本,三个版本???嗯,还有下面这个

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这本书是讲 ARM 指令集的。

所以一般在看 CASPP 的时候并发的看看这本书是非常不错的选择。

精简指令集一般具有如下特征

  • 统一的指令编码
  • 通用的寄存器,一般会区分整数和浮点数
  • 简单的寻址模式,复杂寻址模式被简单指令序列来取代
  • 支持很少偏门的类型,例如 RISC 支持字节字符串类型。

复杂指令集

复杂指令集的英文是 Complex Instruction Set Computing, CISC,是一种微处理器指令集架构,也被译为复杂指令集。

复杂指令集包括 System/360、VAX、x86 等

复杂指令集可以说是在精简指令集之上作出的改变。

复杂指令集的特点是指令数目多而复杂,每条指令字长并不相等,计算机必须加以判读,并为此付出了性能的代价。

一般来说,提升 CPU 性能的方法有如下这几种

  • 增加寄存器的大小
  • 增进内部的并行性
  • 增加高速缓存的大小
  • 增加核心时脉的速度
  • 加入其他功能,例如 IO 和计时器
  • 加入向量处理器
  • 硬件多线程技术

比较抽象,我们后面会组织成文章具体介绍一下。

C 编译器会接收其他操作并把其转换为汇编语言输出,汇编语言是机器级别的代码表示。我们之前介绍过,C 语言程序的执行过程分为下面这几步

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下面我们更多的讨论都是基于汇编代码来讨论。

我们日常所接触的高级语言,都是经过了层层封装的结果,所以我们平常是接触不到汇编语言的,更不会用汇编语言来进行编程,这就和你不知道操作系统的存在一样,但其实你每个操作,甚至你双击一个图标都和操作系统有关系。

高级语言的抽象级别很高,但是经过了层层抽象之后,高级语言的执行效率肯定没有汇编语言高,也没有汇编语言可靠。

但是高级语言有更大的优点是其编译后能够在不同的机器上运行,汇编语言针对不同的指令集有不同的表示。并且高级语言学习来更加通俗易懂,降低计算机门槛,让内卷更加严重(当然这是开个玩笑,冒犯到请别当真)。

话不多说,了解底层必须了解汇编语言。否则一个 synchronized 底层实现就能够让你头疼不已。而且,天天飘着也不好,迟早要落地。

了解汇编代码也有助于我们优化程序代码,分析代码中隐含的低效率,并且这种优化方法一旦优化成功,将是量级的提高,而不是改改 if…else ,使用一个新特性所能比的。

机器级代码

计算机系统使用了多种不同形式的抽象,可以通过一个简单的抽象模型来隐藏实现细节。对于机器级别的程序来说,有两点非常重要。

首先第一点,定义机器级别程序的格式和行为被称为 指令集体系结构或指令集架构(instruction set architecture), ISA。ISA 定义了进程状态、指令的格式和每一个指令对状态的影响。大部分的指令集架构包括 ISA 用来描述进程的行为就好像是顺序执行的,一条指令执行结束后,另外一条指令再开始。处理器硬件的描述要更复杂,它可以同时并行执行许多指令,但是它采用了安全措施来确保整体行为与 ISA 规定的顺序一致。

第二点,机器级别对内存地址的描述就是 虚拟地址(virtual address),它提供了一个内存模型来表示一个巨大的字节数组。

编译器在整个编译的过程中起到了至关重要的作用,把 C 语言转换为处理器执行的基本指令。汇编代码非常接近于机器代码,只不过与二进制机器代码相比,汇编代码的可读性更强,所以理解汇编是理解机器工作的第一步。

一些进程状态对机器可见,但是 C 语言程序员却看不到这些,包括

  • 程序计数器(Program counter),它存储下一条指令的地址,在 x86-64 架构中用 %rip 来表示。

程序执行时,PC 的初始值为程序第一条指令的地址,在顺序执行程序时, CPU 首先按程序计数器所指出的指令地址从内存中取出一条指令,然后分析和执行该指令,同时将 PC 的值加 1 并指向下一条要执行的指令。

比如下面一个例子。

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这是一段数值进行相加的操作,程序启动,在经过编译解析后会由操作系统把硬盘中的程序复制到内存中,示例中的程序是将 123 和 456 执行相加操作,并将结果输出到显示器上。由于使用机器语言难以描述,所以这是经过翻译后的结果,实际上每个指令和数据都可能分布在不同的地址上,但为了方便说明,把组成一条指令的内存和数据放在了一个内存地址上。

  • 整数寄存器文件(register file)包含 16 个命名的位置,用来存储 64 位的值。这些寄存器可以存储地址和整型数据。有些寄存器用于跟踪程序状态,而另一些寄存器用于保存临时数据,例如过程的参数和局部变量,以及函数要返回的值。这个 文件 是和磁盘文件无关的,它只是 CPU 内部的一块高速存储单元。有专用的寄存器,也有通用的寄存器用来存储操作数。
  • 条件码寄存器 用来保存有关最近执行的算术或逻辑指令的状态信息。这些用于实现控件或数据流中的条件更改,例如实现 if 和 while 语句所需的条件更改。我们都学过高级语言,高级语言中的条件控制流程主要分为三种:顺序执行、条件分支、循环判断三种,顺序执行是按照地址的内容顺序的执行指令。条件分支是根据条件执行任意地址的指令。循环是重复执行同一地址的指令。顺序执行的情况比较简单,每执行一条指令程序计数器的值就是 + 1。条件和循环分支会使程序计数器的值指向任意的地址,这样一来,程序便可以返回到上一个地址来重复执行同一个指令,或者跳转到任意指令。

下面以条件分支为例来说明程序的执行过程(循环也很相似)

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程序的开始过程和顺序流程是一样的,CPU 从 0100 处开始执行命令,在 0100 和 0101 都是顺序执行,PC 的值顺序+1,执行到 0102 地址的指令时,判断 0106 寄存器的数值大于 0,跳转(jump)到 0104 地址的指令,将数值输出到显示器中,然后结束程序,0103 的指令被跳过了,这就和我们程序中的 if() 判断是一样的,在不满足条件的情况下,指令会直接跳过。所以 PC 的执行过程也就没有直接+1,而是下一条指令的地址。

  • 一组 向量寄存器用来存储一个或者多个整数或者浮点数值,向量寄存器是对一维数据上进行操作。

机器指令只会执行非常简单的操作,例如将存放在寄存器的两个数进行相加,把数据从内存转移到寄存器中或者是条件分支转移到新的指令地址。编译器必须生成此类指令的序列,以实现程序构造,例如算术表达式求值,循环或过程调用和返回

认识汇编

我相信各位应该都知道汇编语言的出现背景吧,那就是二进制表示数据,太复杂太庞大了,为了解决这个问题,出现了汇编语言,汇编语言和机器指令的区别就在于表示方法上,汇编使用操作数来表示,机器指令使用二进制来表示,我之前多次提到机器码就是汇编,你也不能说我错,但是不准确。

但是汇编适合二进制代码存在转换关系的。

汇编代码需要经过 汇编器 编译后才产生二进制代码,这个二进制代码就是目标代码,然后由链接器将其连接起来运行。

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汇编语言主要分为以下三类

  • 汇编指令:它是一种机器码的助记符,它有对应的机器码
  • 伪指令:没有对应的机器码,由编译器执行,计算机并不执行
  • 其他符号,比如 +、-、*、/ 等,由编译器识别,没有对应的机器码

汇编语言的核心是汇编指令,而我们对汇编的探讨也是基于汇编指令展开的。

与汇编有关的硬件和概念

CPU

CPU 是计算机的大脑,它也是整个计算机的核心,它也是执行汇编语言的硬件,CPU 的内部包含有寄存器,而寄存器是用于存储指令和数据的,汇编语言的本质也就是 CPU 内部操作数所执行的一系列计算。

内存

没有内存,计算机就像是一个没有记忆的人类,只会永无休止的重复性劳动。CPU 所需的指令和数据都由内存来提供,CPU 指令经由内存提供,经过一系列计算后再输出到内存。

磁盘

磁盘也是一种存储设备,它和内存的最大区别在于永久存储,程序需要在内存装载后才能运行,而提供给内存的程序都是由磁盘存储的。

总线

一般来说,内存内部会划分多个存储单元,存储单元用来存储指令和数据,就像是房子一样,存储单元就是房子的门牌号。而 CPU 与内存之间的交互是通过地址总线来进行的,总线从逻辑上分为三种

  • 地址线
  • 数据线
  • 控制线
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CPU 与存储器之间的读写主要经过以下几步

读操作步骤

  • CPU 通过地址线发出需要读取指令的位置
  • CPU 通过控制线发出读指令
  • 内存把数据放在数据线上返回给 CPU

写操作步骤

  • CPU 通过地址线发出需要写出指令的位置
  • CPU 通过控制线发出写指令
  • CPU 把数据通过数据线写入内存

下面我们就来具体了解一下这三类总线

地址总线

通过我们上面的探讨,我们知道 CPU 通过地址总线来指定存储位置的,地址总线上能传送多少不同的信息,CPU 就可以对多少个存储单元进行寻址。

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上图中 CPU 和内存中间信息交换通过了 10 条地址总线,每一条线能够传递的数据都是 0 或 1 ,所以上图一次 CPU 和内存传递的数据是 2 的十次方。

所以,如果 CPU 有 N 条地址总线,那么可以说这个地址总线的宽度是 N 。这样 CPU 可以寻找 2 的 N 次方个内存单元。

数据总线

CPU 与内存或其他部件之间的数据传送是由数据总线来完成的。数据总线的宽度决定了 CPU 和外界的数据传输速度。8 根数据总线可以一次传送一个 8 位二进制数据(即一个字节)。16 根数据总线一次可以传输两个字节,32 根数据总线可以一次传输四个字节。。。。。。

控制总线

CPU 与其他部件之间的控制是通过 控制总线 来完成的。有多少根控制总线,就意味着 CPU 提供了对外部器件的多少种控制。所以,控制总线的宽度决定了 CPU 对外部部件的控制能力。

一次内存的读取过程

内存结构

内存 IC 是一个完整的结构,它内部也有电源、地址信号、数据信号、控制信号和用于寻址的 IC 引脚来进行数据的读写。下面是一个虚拟的 IC 引脚示意图

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图中 VCC 和 GND 表示电源,A0 – A9 是地址信号的引脚,D0 – D7 表示的是控制信号、RD 和 WR 都是好控制信号,我用不同的颜色进行了区分,将电源连接到 VCC 和 GND 后,就可以对其他引脚传递 0 和 1 的信号,大多数情况下,+5V 表示1,0V 表示 0

我们都知道内存是用来存储数据,那么这个内存 IC 中能存储多少数据呢?D0 – D7 表示的是数据信号,也就是说,一次可以输入输出 8 bit = 1 byte 的数据。A0 – A9 是地址信号共十个,表示可以指定 00000 00000 – 11111 11111 共 2 的 10次方 = 1024个地址。每个地址都会存放 1 byte 的数据,因此我们可以得出内存 IC 的容量就是 1 KB。

如果我们使用的是 512 MB 的内存,这就相当于是 512000(512 * 1000) 个内存 IC。当然,一台计算机不太可能有这么多个内存 IC ,然而,通常情况下,一个内存 IC 会有更多的引脚,也就能存储更多数据。

内存读取过程

下面是一次内存的读取过程。

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来详细描述一下这个过程,假设我们要向内存 IC 中写入 1byte 的数据的话,它的过程是这样的:

  • 首先给 VCC 接通 +5V 的电源,给 GND 接通 0V 的电源,使用 A0 – A9 来指定数据的存储场所,然后再把数据的值输入给 D0 – D7 的数据信号,并把 WR(write)的值置为 1,执行完这些操作后,即可以向内存 IC 写入数据
  • 读出数据时,只需要通过 A0 – A9 的地址信号指定数据的存储场所,然后再将 RD 的值置为 1 即可。
  • 图中的 RD 和 WR 又被称为控制信号。其中当WR 和 RD 都为 0 时,无法进行写入和读取操作。

总结

此篇文章我们主要探讨了指令集、指令集的分类,与汇编有关的硬件,总线都有哪些,分别的作用都是什么,然后我们以一次内存读取过程来连接一下 CPU 和内存的交互过程。

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