《Linux内核分析》之计算机是如何工作的实验总结

前言

前两天在家电脑win7系统一直打不开网站，今天换了个网反而好了，具体原因未知。马马虎虎学完了Python课程，一直想学下linux，看到里面有个linux的就选上了。当初没细看，如今听完第一节课有点傻眼，竟然糊里糊涂给自己找了一科汇编语言的课程，静心看下去庆幸自己还知道点堆栈的知识并出现了轻微的自虐倾向。闲话少说，现开正题。注：本文具有总结兼作业性质，如有雷同，纯属巧合。

实验及总结

本实现代码及汇编部分均在实验楼完成。

实验代码

1
int g(int x)
2
{
3
      return x + 2;
4
}
5

6
int f(int x)
7
{
8
      return g(x);
9
}
10

11
int main(void)
12
{
13
      return f(8) + 1;
14
}

汇编后代码及部分代码截图

使用gcc –S –o main.s main.c -m32命令编译成汇编代码

代码

1
.file    "main.c"
2
    .text
3
    .globl    g
4
    .type    g, @function
5
g:
6
.LFB0:
7
    .cfi_startproc
8
    pushl    %ebp
9
    .cfi_def_cfa_offset 8
10
    .cfi_offset 5, -8
11
    movl    %esp, %ebp
12
    .cfi_def_cfa_register 5
13
    movl    8(%ebp), %eax
14
    addl    $2, %eax
15
    popl    %ebp
16
    .cfi_restore 5
17
    .cfi_def_cfa 4, 4
18
    ret
19
    .cfi_endproc
20
.LFE0:
21
    .size    g, .-g
22
    .globl    f
23
    .type    f, @function
24
f:
25
.LFB1:
26
    .cfi_startproc
27
    pushl    %ebp
28
    .cfi_def_cfa_offset 8
29
    .cfi_offset 5, -8
30
    movl    %esp, %ebp
31
    .cfi_def_cfa_register 5
32
    subl    $4, %esp
33
    movl    8(%ebp), %eax
34
    movl    %eax, (%esp)
35
    call    g
36
    leave
37
    .cfi_restore 5
38
    .cfi_def_cfa 4, 4
39
    ret
40
    .cfi_endproc
41
.LFE1:
42
    .size    f, .-f
43
    .globl    main
44
    .type    main, @function
45
main:
46
.LFB2:
47
    .cfi_startproc
48
    pushl    %ebp
49
    .cfi_def_cfa_offset 8
50
    .cfi_offset 5, -8
51
    movl    %esp, %ebp
52
    .cfi_def_cfa_register 5
53
    subl    $4, %esp
54
    movl    $8, (%esp)
55
    call    f
56
    addl    $1, %eax
57
    leave
58
    .cfi_restore 5
59
    .cfi_def_cfa 4, 4
60
    ret
61
    .cfi_endproc
62
.LFE2:
63
    .size    main, .-main
64
    .ident    "GCC: (Ubuntu 4.8.2-19ubuntu1) 4.8.2"
65
    .section    .note.GNU-stack,"",@progbits

截图

纯净的汇编代码

1
g:
2
        pushl   %ebp
3
        movl    %esp, %ebp
4
        movl    8(%ebp), %eax
5
        addl    $2, %eax
6
        popl    %ebp
7
        ret
8
f:
9
        pushl   %ebp
10
        movl    %esp, %ebp
11
        subl    $4, %esp
12
        movl    8(%ebp), %eax
13
        movl    %eax, (%esp)
14
        call    g
15
        leave
16
        ret
17
main:
18
        pushl   %ebp
19
        movl    %esp, %ebp
20
        subl    $4, %esp
21
        movl    $8, (%esp)
22
        call    f
23
        addl    $1, %eax
24
        leave
25
        ret

汇编代码分析

[caption id="" align=“aligncenter” width=“409”] 堆栈信息变更参考图[/caption] 和一般代码执行一样从main函数开始。 [infobg class=“notice” closebtn="" color="" bgcolor=""] esp堆栈的栈顶 ebp堆栈的基址(栈底) eip当前的指令指针，eip寄存器不能被直接修改，只能通过特殊指令间接修改，故call/ret 例子中eip(*)表示伪指令 eax 函数的返回值默认使用eax寄存器来返回给上级函数。假设一开始为空栈，初始位置为0，ebp=esp，如图： [/infobg] [infobg class=“success” closebtn="" color="" bgcolor=""]

将当前ebp压栈同时esp的值被修改，即esp指向位置（1）
ebp指向esp的位置，即ebp指向位置（1）
esp-4即将esp向下移动一个编号，即esp指向位置（2）
将8放到当前esp的位置，即将8放在位置（2）
调用f函数 call f 对应的指令：push1 %eip(*) 和movl f,%eip(*) 此时eip实际指向下一行即第23行代码，将eip(标号23)存入位置（3） [ ][linux_jisuanjigonguoshiyan7_2.jpg]同时esp指向位置（3），eip指向f
将ebp的地址（位置1）存入位置（4），esp指向位置（4），此时代码进入f函数（模块）并执行其第一语句
使ebp指向与esp相同的地址，即位置4
esp指向位置（5）
将ebp+8变址寻址，即向上2个标号的位置，由于该位置的值为8，即eax=8
将eax的值放到esp的位置，即将8放到位置（5）
调用g函数 call g对应的指令：push1 %eip(*) 和movl g,%eip(*) esp移到位置（6），此时eip实际指向下一行即第15行代码，将eip(15)存入位置（6），同时eip指向g
将ebp值ebp（4）存入位置（7），esp指向位置（7），此时代码进入g函数（模块）并执行其第一语句
使ebp指向与esp相同的地址，即位置7
将ebp+8变址寻址，即向上2个标号的位置，由于该位置的值为8，即eax=8
将2加到eax中，即2+8=10，此时eax=10
ebp指向位置（4），esp指向位置（6）
esp指向位置（5），同时eip重新指向行号15
esp指向ebp的地址（位置4），即esp指向位置（4）
ebp指向位置（1），esp指向位置（3）
eip重新指向行号23
eax的值加上1，eax=11
esp指向ebp的地址（位置1），即esp指向位置（1）
ebp指向位置（0），esp指向位置（0）
main函数返回，eip重新指向该main函数调用前中断的地址，运行其他指令

[/infobg]

计算机是如何工作的

采用冯·诺依曼体系结构，使用存储程序方式，cpu和内存用总线连接。

从硬件角度

cpu中含有寄存器,其中寄存器ip总是指向内存的某一区域（内存cs即代码段） cup从ip指向的内存地址取出一条指令执行，执行完后ip自加1，取下一条指令再执行，如此循环。

程序员的角度

CPU为for循环，总是从内存中取出指令解释和执行内存保存指令和数据 CPU负责解释和执行这些指令 cpu和内存之间用总线连接

附录

mov寻址指令

b,w,l,q分别代表8位、16位、32位和64位。此处以32为例

cup对内存的操作方法

mov指令

[toggle hide=“yes” title=“常用mov寻址命令” color=“#5bc0de”] movl %eax,%edx edx =eax; 解释：register mode 寄存器寻址 %表寄存器，即寄存器模式，以%开头的寄存器标识符。和内存无关本句含义：将eax寄存器里的内容放到edx寄存器中，相当于后面的edx =eax movl $0x123,%edx edx = 0x123; 解释： immediate 立即寻址$ +16进制的数字即：立即数是以￥开头的数值。和内存无关本句含义：将数值直接放在edx中，相当于后面的edx = 0x123 movl 0x123,%edx edx=*(int32_t*)0x123; 解释： direct 直接寻址直接访问一个指定的内存地址的数据。无$，表一个地址本句含义：将内存地址16进制的123所指向的内存数据放到edx中，相当于后面 edx=*(int32_t*)0x123即c语言中将数值强制转换为32位int变量的指针，在用一个*的指针取其指向的值 movl (%ebx),%edx edx =*(int32_t*)ebx; 解释：indirect 间接寻址将寄存器的值作为一个内存地址来访问内存本句含义：寄存器%ebx加（）表ebx存的值（是个内存地址）,加括号表示将内存地址所存储的数据放到edx中，即将ebx强制转换为一个地址，再加*取它的值。

movl 4(%ebx),%edx edx=*(int32_t*)(ebx+4); 解释：displaced 变址寻址

在间接寻址之时改变寄存器的数值本句含义：在间接寻址的基础上，先给地址+个立即数，然后转换成int类型的指针，再取值 [/toggle]

常用汇编指令简记

[toggle hide=“yes” title=“常用汇编指令” color=“#0C7B14”] **push1 %eax ** 将寄存器%eax压栈到栈顶，栈的位置在增长 what it does subl $4,%esp 压栈 esp-4,将堆栈的栈顶 movl %eax,(%esp) 间接寻址将eax放置到esp处 ***提示：***push1 %ebp 将当前ebp压栈同时esp的值被修改

**popl %eax ** 出栈，栈的位置在收缩 what it does movl (%esp),%eax 将栈顶的数值放在eax里 addl $4,%esp 将esp+4相当于回退一个位置

call 0x12345 函数调用地址(函数调用堆栈) 理解C代码在CPU上执行的关键 what it does push1 %eip(*) 对当前指令压栈 movl $0x12345,%eip(*) 使下一条指令执行位置为0x12345

ret 与call对应，将call时保存的eip还原到eip寄存器中即执行call之前的下条指令 what it does popl %eip(*)

leave 撤销堆栈 what it does movl %ebp,%esp popl %ebp

enter 将栈置为一个新的空栈 what it does pushl %ebp movl %esp,%ebp [/toggle]

小知识点

[toggle hide=“yes” title=“必知小知识点” color=“#C00”] 1、栈是向下增长的，向2000H的地址存入数据实际存储数据的是2000H-2003H这四个字节，也就是指针指向的是单元格的下边界来表示指向一个单元格。 2、对x86计算机大多数的指令可直接访问一个内存地址 AT&T汇编格式与Intel汇编格式略有不同 Linux内核使用的是AT&T汇编格式 [/toggle] windCoder原创作品转载请注明出处

参考资料

本文部分资料与图片参考自《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000