计算机是怎样工作的

张颜(111) 实验一

本文以一个简单的C程序为分析案例，分析其对应的.s汇编代码在CPU上的执行过程。

首先给出C程序代码：

int g(int x)
{
return x+3;
}
int f(int x)
{
return g(x);
}
int main(void)
{
 return f(8)+1;
}

用gcc将test.c分别生成.cpp，.s，.o和ELF可执行文件：

查看对应的汇编代码：

	.file	"test.c"
	.text
	.globl	g
	.type	g, @function
g:
.LFB0:
	.cfi_startproc
	pushl	%ebp
	.cfi_def_cfa_offset 8
	.cfi_offset 5, -8
	movl	%esp, %ebp
	.cfi_def_cfa_register 5
	movl	8(%ebp), %eax
	addl	$3, %eax
	popl	%ebp
	.cfi_def_cfa 4, 4
	.cfi_restore 5
	ret
	.cfi_endproc
.LFE0:
	.size	g, .-g
	.globl	f
	.type	f, @function
f:
.LFB1:
	.cfi_startproc
	pushl	%ebp
	.cfi_def_cfa_offset 8
	.cfi_offset 5, -8
	movl	%esp, %ebp
	.cfi_def_cfa_register 5
	subl	$4, %esp
	movl	8(%ebp), %eax
	movl	%eax, (%esp)
	call	g
	leave
	.cfi_restore 5
	.cfi_def_cfa 4, 4
	ret
	.cfi_endproc
.LFE1:
	.size	f, .-f
	.globl	main
	.type	main, @function
main:
.LFB2:
	.cfi_startproc
	pushl	%ebp
	.cfi_def_cfa_offset 8
	.cfi_offset 5, -8
	movl	%esp, %ebp
	.cfi_def_cfa_register 5
	subl	$4, %esp
	movl	$8, (%esp)
	call	f
	addl	$1, %eax
	leave
	.cfi_restore 5
	.cfi_def_cfa 4, 4
	ret
	.cfi_endproc
.LFE2:
	.size	main, .-main
	.ident	"GCC: (Ubuntu/Linaro 4.6.3-1ubuntu5) 4.6.3"
	.section	.note.GNU-stack,"",@progbits

汇编中部分指令注释：

我们对汇编代码在CPU上执行时，栈空间对应的变化，作如下分析：

首先在main函数中，栈空间的变化情况：

              

在call f 执行结束后，便进入到 f 函数中：

             

现在进入到g函数中：

ret执行后，执行流又返回到f中了：

         

现在执行流又回到main中了：

以上就是汇编指令在CPU上执行时，栈空间对应的变化。

小结：

通过观察汇编指令执行的整个过程中，栈空间的变化情况，我们可以得出单任务计算机的基本工作原理：

如上图所示，每次CPU执行都要先读取EIP寄存器的值，然后定位EIP指向的内存地址(CS段)，并且读取汇编指令，最后执行。ESP始终指向栈顶，EBP指向栈底，当我们调用一个函数时，先将堆栈原先的基址（EBP）入栈，以保存之前任务的信息。然后将栈顶指针的值赋给EBP，将之前的栈顶作为新的基址（栈底），然后再这个基址上开辟相应的空间用作被调用函数的堆栈。函数返回后，从EBP中可取出之前的ESP值，使栈顶恢复函数调用前的位置；再从恢复后的栈顶可弹出之前的EBP值，因为这个值在函数调用前一步被压入堆栈。这样，EBP和ESP就都恢复了调用前的位置，堆栈恢复函数调用前的状态。

而多任务计算机的基本工作原理，则包括中断机制，时间片轮转进程调度，多线程，或者多核等。