211 lines
18 KiB
Markdown
211 lines
18 KiB
Markdown
|
# 14｜汇编代码学习（一）：熟悉CPU架构和指令集
|
|||
|
|
|
|||
|
|
你好，我是宫文学。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
经过了上一节课的学习，你已经对物理机的运行期机制有了一定的了解。其中最重要的知识点就是，为了让一个程序运行起来，硬件架构、操作系统和计算机语言分别起到了什么作用？对这些知识的深入理解，是让你进入高手行列的关键。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
接下来，就让我们把程序编译成汇编代码，从而生成在物理机上运行的可执行程序吧！
|
|||
|
|
|
|||
|
|
慢着，不要太着急。为了让你打下更好的基础，我决定再拿出一节课来，带你了解一下CPU架构和指令集，特别是ARM和X86这两种使用最广泛的CPU架构，为你学习汇编语言打下良好的基础。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
首先，我们讨论一下什么是CPU架构，以及它对学习汇编语言的作用。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
## 掌握汇编语言的关键，是了解CPU架构
|
|||
|
|
|
|||
|
|
提到汇编语言，很多同学都会觉得很高深、很难学。其实这是个误解，汇编语言并不难掌握。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
为什么这么说呢？其实前面在实现虚拟机的时候，我们已经接触了栈机的字节码。你觉得它难吗？JVM的字节码理论上不会超过128条，而我们通过前面几节课已经了解了其中的好几十条指令，并且已经让他们顺利地运转起来了。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
而且，汇编代码作为物理机的指令，也不可能有多么复杂。因为CPU的设计，就是要去快速地执行一条条简单的指令，所以这些指令不可能像高级语言那样充满复杂的语义。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
我们可以把学习汇编语言跟学习高级语言做一下类比。如果你接触过多门计算机语言，很快就能找到这些计算机语言的相似性，比如都有基础数据类型、都支持加减乘除等各种运算、都支持各种表达式和语句等等。抓住这些基本规律以后，学习一门新语言的速度会很快。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
汇编语言也是一样的。不同的CPU有不同的指令集，但它们的指令的格式有一些共性，比如都包含操作码的助记符和操作数，而操作数通常也都包含立即数、寄存器和内存地址这三个类别。它们也都包含数据处理、内存读写、跳转、子过程调用等几种大类的指令。所以，你也可以很快掌握这些规律或模式，做到触类旁通，游刃有余。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
**说了那么多，那么学习汇编语言的关键是什么呢？**
|
|||
|
|
|
|||
|
|
由于汇编语言是跟具体的CPU打交道的，所以不同的CPU架构，它们的汇编语言就会有所差别。如果你能够深刻了解某款CPU的架构，自然也就会为它编写汇编代码了。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
这里提到了一个词，**架构**。所谓架构，是指一个处理器的功能规范，定义了CPU在什么情况下会产生什么行为。你也可以把它理解成软件和硬件之间的一个桥梁，规定了硬件如何提供功能被软件所调用。所以，如果你要搞编译技术，就必须要了解目标CPU的架构。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
我把CPU架构里的内容整合在这张表里，你可以保存起来：
|
|||
|
|
|
|||
|
|
|
|||
|
|
|
|||
|
|
看上去，要深入了解一个CPU架构，涉及的知识还蛮多的。不过，**作为初学者，我们最重要的是关注两个方面就行了：指令集和寄存器集，因为它们跟汇编代码的关系最密切。**
|
|||
|
|
|
|||
|
|
那么如何了解一个CPU的架构呢？正如我在[第12节课](https://time.geekbang.org/column/article/414397)说的那样，其实最重要的方式，就是阅读CPU的手册。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
那么这节课我们就分析两种主流的CPU架构，看看能获得哪些知识点。首先我们就来看一下ARM架构的CPU的特点，它是目前大多数智能手机所采用的CPU。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
## 了解ARM架构
|
|||
|
|
|
|||
|
|
ARM处理器是ARM公司推出的一系列处理器的名称。ARMv8是它比较新的架构，当前大多数高端智能手机都是采用这个架构。了解这个架构的方法呢，当然是下载[ARMv8的手册](https://developer.arm.com/documentation/ddi0487/latest)。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
不过这本手册比较厚，有8000多页。为了加速你的理解，我挑其中最有用、跟编写汇编代码最相关的几个知识点跟你聊聊。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
首先，ARMv8支持32位和64位运行模式，分别叫做AArch32和AArch64。在64位模式下，它的指令集叫做A64。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
接着，我们看看ARMv8的寄存器。在AArch64架构下，它的寄存器有下面这几个（参见手册的B1.2.1部分）。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
* R0-R30：是31个通用寄存器。当它们被用于64位计算或32位计算的时候，分别被叫做X0-X30（X表示64位），以及W0-W30（W是Word的意思，表示32位）。这31个处理器是我们用做数据处理的主力。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
|
|||
|
|
|
|||
|
|
* SP寄存器：64位的栈指针寄存器，用于指向栈顶的地址。
|
|||
|
|
* PC寄存器：64位的程序代码寄存器，PC是Program Code的意思。这个寄存器记录了内存中当前指令的地址，CPU会从这个地址读取指令并执行。当程序执行跳转指令、进入异常或退出异常的时候，这个寄存器的值会被自动修改。
|
|||
|
|
* 另外，还有一组寄存器是用于处理浮点数运算和矢量计算的，你可以去官方手册看看。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
这些就是我们的汇编代码中会涉及到的寄存器，还有一些寄存器是系统级的寄存器，我们平常的应用代码用不上，就先不管了。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
谈到寄存器，我插个话题。我注意到，你如果在网上搜索某个CPU架构的文章，往往得到的是模棱两可的、甚至是错误的信息，你千万要注意不要被它们误导了。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
比如，我看到有的文章说在某个架构的CPU中，哪些寄存器是用来放返回值的，哪些寄存器是用来传参数的，而哪些寄存器又分别是由调用者或被调用者保护的，等等，还配了图做说明。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
但如果你对调用约定或ABI的概念有所了解的话马上就会知道，这些其实都是软件层面上的一些约定，不是CPU架构层面上的规定。如果你还想了解得更具体一些，可以参考涉及到ARM架构的一些[ABI规范文档](https://github.com/ARM-software/abi-aa/releases)，特别是其中的“Procedure Call Standard for the Arm® 64-bit”，这篇文档就规定了如何使用这些通用寄存器等信息。但作为语言的作者，你其实可以设计自己的ABI，你拥有更大的自由度。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
与寄存器相关的一个概念，叫做Process State，或者PSTATE，它是CPU在执行指令时形成的一些状态信息，这些状态信息在物理层面是保存在一些特殊目的寄存器里。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
PSTATE有什么用呢？比如，它的用途之一是辅助跳转指令的运行。当我们执行一个条件跳转指令之前，会先执行一个比较指令，这个比较指令就会设置某个状态信息，而后续的跳转指令就可以基于这个状态信息进行正确的跳转了。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
此外，PSTATE还可以用于判断算术运算是否溢出、是否需要进位等等。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
最后，我们终于谈到CPU架构中的主角，**指令集**了。你先看一下A64指令集中的一些常见的指令：
|
|||
|
|
|
|||
|
|
|
|||
|
|
|
|||
|
|
你看这些指令，是不是跟前面学过的Java字节码的指令集有很多相似之处？我们来比较一下看，上面的指令大概可以分为四组。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
**第一组指令，是加减乘除等算术运算的指令。**
|
|||
|
|
|
|||
|
|
回忆一下，在我们之前学栈机的时候，是不是也有这些运算指令？但栈机和寄存器机的指令有一些差别。栈机的运算指令，是不需要带操作数的，因为操作数已经在操作数栈里。这几个指令会从栈顶取出两个操作数，做完加减乘除运算后，再放回栈顶。这样，下一条指令就可以把这个值作为操作数，继续进行计算。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
但寄存器机上没有操作数栈，典型的寄存器机，所有运算都发生在寄存器里。我们来看看下面这个示例程序：
|
|||
|
|
|
|||
|
|
```plain
|
|||
|
|
int foo(int a){
|
|||
|
|
return a + 10;
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
```
|
|||
|
|
|
|||
|
|
你可以用下面这个命令生成ARM64指令集的汇编代码：
|
|||
|
|
|
|||
|
|
```plain
|
|||
|
|
clang -arch arm64 -S foo.c -o foo_arm64.s -O2
|
|||
|
|
|
|||
|
|
```
|
|||
|
|
|
|||
|
|
汇编代码的主要部分是下面这几行：
|
|||
|
|
|
|||
|
|
```plain
|
|||
|
|
_foo: ; @foo
|
|||
|
|
add w0, w0, #10 ; =10
|
|||
|
|
ret
|
|||
|
|
|
|||
|
|
```
|
|||
|
|
|
|||
|
|
其中“add w0, w0, #10”的意思，是把w0寄存器的值加上10，结果仍然放到w0。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
在CPU指令里，我们把常量一般叫做立即数（immediate）。在这条代码里，#10就是个立即数。根据当前的调用约定，当我们调用foo函数的时候，参数a是传入到w0寄存器的。然后，这个寄存器的值又加上了10，返回值也放在w0里就可以了，函数调用者会从w0里获取这个返回值。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
**第二组指令，只有一个mov指令**，它能把数据从一个寄存器拷贝到另一个寄存器，也可以把一个立即数设置到目标寄存器。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
**第三组指令，是内存读写的指令。**
|
|||
|
|
|
|||
|
|
在ARM指令集中，算术运算性的指令只能基于寄存器，但是原始数据通常来自于内存，计算结果最后也通常保存回内存，所以我们还需要一组指令把数据从内存加载到寄存器，以及从寄存器再写回内存，这就是load和store指令。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
这两个指令我们也很熟悉，因为它们在栈机的指令里也出现过。在栈机里，我们是用load命令把本地变量和常量加载到操作数栈，用store命令操作数栈中的数据写回到本地变量。而在寄存器机里，操作数栈变成了寄存器。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
比如，“str w0, \[sp, #12\]”的意思，是把w0的值保存到一个内存地址，这个内存地址是sp寄存器的值加12。sp是寄存器指向栈顶的指针，操作系统会根据这个寄存器的值自动为栈分配内存。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
**第四组指令，是各种跳转指令。**
|
|||
|
|
|
|||
|
|
跳转指令的基本原理，是修改程序计数器的值，让CPU去执行另一个地方的代码。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
高级语言中的if语句、for循环语句等，翻译成汇编代码后，就会生成跳转指令。在跳转之前，一般要做一个数值的比较，依据比较结果再做跳转，做比较的指令是CMP。比较完之后，就可以根据比较结果做跳转了，比如jeq表示两边相等就可以跳转了。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
而函数调用、方法调用，我们都把它们统称为子过程调用，本质上也是做指令的跳转。只不过做子过程调用的时候，要建立新的栈帧并保证原来的栈帧不被破坏，一些寄存器的值也要保护起来，并且还要记下返回地址，所以我们通常要花费多条指令才能完成子过程调用的工作。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
上面四组指令是各类不同CPU的指令集都具备的。当然，我当前给你选的都是一些常用的，也是一看就容易明白的指令。明白了这些之后，你可以进一步研究更多的指令了。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
在初步研究了ARM架构以后，我们再接再厉，了解一下X86架构。因为我们的台式机和服务器，目前大多采用的还都是X86架构的CPU。对于64位的CPU，这个系列的架构也叫做X64架构，或者是AMD64架构。并且，你还可以把它跟ARM架构做对比，了解它们的相同点和不同点，对比着学习，你可以有更多的收获。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
## 了解X86架构
|
|||
|
|
|
|||
|
|
X86架构的CPU有着很长的历史，贯穿了整个PC的发展史。要了解X86架构，当然也是看手册就行了，手册名称叫做《[Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual](https://software.intel.com/content/www/us/en/develop/download/intel-64-and-ia-32-architectures-software-developers-manual-volume-1-basic-architecture.html)》。对于初学者，只需要看第一卷就行了，这一卷不是太厚，但已经足够你获得丰富的信息了。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
**首先，我们仍然看看寄存器方面的信息**，X86的架构下的寄存器可以分为下面几种。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
* 通用寄存器：随着X86架构在不断地演化，它的可用的寄存器的数量也在不断增加。在64位模式下，一共有16个通用寄存器可以使用，这些寄存器可以用8位、16位、32位和64位的模式访问，分别拥有不同的名称，但实际上对应的是同一个物理寄存器。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
|
|||
|
|
|
|||
|
|
* 段寄存器：在32位模式下，CPU使用多个段寄存器，分别指向内存中不同段的起始地址，比如代码段、数据段和栈，来帮助计算代码、数据和栈操作的最后的地址，但在64位模式下，段寄存器就没有用了。
|
|||
|
|
* 指令指针（EIP/RIP）：在32位模式下，EIP寄存器保存着下一条要执行的指令在代码段中的偏移量。**换句话，代码段的段寄存器的地址加上EIP的地址，就是指令的逻辑地址。**当然，在64位模式下，段寄存器没有用，RIP里的地址就是下一条要执行的指令的地址，它就相当于ARM中的PC寄存器。
|
|||
|
|
* EFLAGS寄存器：这个寄存器有点像ARM中的PSTATE，也是保存了指令执行过程中产生的状态信息，用于执行跳转指令等场景。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
这里我补充一下，我前面费这么大的劲介绍段寄存器和指令指针，就是为了让你看出来，虽然不同的CPU架构都能够知道下一条指令的地址，但它的实现机制却是不同的。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
**接着，我们再看看X86的指令集。**
|
|||
|
|
|
|||
|
|
X86架构的CPU采用的是复杂指令集（CISC），而前面介绍的ARM和RISC-V指令集，都是精简指令集（RISC）。这两者的差别，体现在多个方面，但这些差别不是我们这节课的重点，我建议你自己去查阅一下资料，这里我们主要研究一下指令上的差别。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
我在下面这张表里列出了X86指令集中的一些常见的指令，这些指令基本上从字面上也一看就懂。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
你要注意的是，这些指令存在8位、16位、32位和64位的模式，你在汇编指令中使用时要带上不同的后缀：
|
|||
|
|
|
|||
|
|
接下来，我们再分析一下X86指令的特点。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
**首先，大多数指令的源和目标，都支持使用内存地址，而不像精简指令集那样，一般只用load和store指令来做内存的读写。**在计算机发展的早期，寄存器的数量是很少的，这样的指令使用起来更方便。但是现在的手机芯片，都支持比较多的通用寄存器（比如16个甚至更高），可以尽量减少内存读写操作，所以RISC指令的设计方式就更有优势了。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
**第二，mov指令的不同。**在ARM的指令中，mov只支持对寄存器的操作。而X86的mov指令，由于支持内存地址作为操作数，所以实际上支持把数据从内存加载到寄存器，从寄存器保存到内存，实现了RISC指令集中的load和store指令的功能。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
**第三，对于栈的维护和子过程的调用，X86也有一些特别的指令，方便我们编程。**
|
|||
|
|
|
|||
|
|
比如，通过push指令，我们可以把一个寄存器的值压到栈里，同时修改栈顶指针的值。所以，一条push %rbx指令，相当于下面两条指令，但花费的时间更少。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
```plain
|
|||
|
|
subq $8, %rsp #把%rsp的值减8，也就是栈增长8个字节，从高地址向低地址增长
|
|||
|
|
movq %rbp, (%rsp) #把%rbp的值写到当前栈顶指示的内存位置
|
|||
|
|
|
|||
|
|
```
|
|||
|
|
|
|||
|
|
pop指令则是push指令的反向操作。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
类似的还有一对指令：call和ret。前者是先把返回地址压到栈里，然后跳转到被调用的子过程的地址。比如“callq \_foo”其实相当于下面两条指令：
|
|||
|
|
|
|||
|
|
```plain
|
|||
|
|
pushq %rip # 保存下一条指令的地址，用于函数返回继续执行
|
|||
|
|
jmp _foo # 跳转到函数_fun1
|
|||
|
|
|
|||
|
|
```
|
|||
|
|
|
|||
|
|
ret指令则是一个反向的操作。从栈里取出返回地址，并设置到rip中，让程序跳回来。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
关于X86架构及其指令集，我们就先了解到这里。其实我们还有不少细节没有讲到，不过因为下一节课我们就要为X86架构的CPU生成汇编代码了，我们会继续介绍更多的知识点。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
## 课程小结
|
|||
|
|
|
|||
|
|
今天的内容就是这些了，我希望你在这一节课记住这些重要的知识点。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
首先，汇编语言是针对具体的CPU架构的，而每种架构的CPU，都有不同的设计，所以它们的汇编语言也都是不同的。CPU架构相当于针对软件开发所提供的一个接口规范，包括了寄存器、指令集、异常处理、内存模式等内容。学习CPU架构相关的知识，最重要的就是学会下载和阅读手册。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
我们这一节课初步研究了ARM架构和X86架构的CPU，你会发现它们有一些共性。比如，在寄存器方面，都提供了一些通用寄存器，也都有用于计算代码地址的寄存器，并都能够提供一种机制，用于保存指令执行过程中产生的一些标志信息（或状态信息），用于指令跳转等目的。在指令集方面，它们也都有用于数据处理、数据拷贝（mov）、跳转等类别的指令。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
当然，它们也有一些差别，比如X86的数据处理类的指令也可以直接把内存地址作为操作数，等等。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
我建议你可以再多看几个不同的指令集，对比着来分析。学习不同的指令集，能避免你的思维被限制在一种CPU设计模式里，这样也可以加深你对各种不同架构的理解。在这里，我特别建议你关注**RISC-V指令集**。由于它开源开放的特点，未来在我国会拥有巨大的发展潜力。运行你的程序的下一个设备，采用的可能就是RISC-V指令集。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
好了，今天的要点就是这些。下一节课，我们将开始为X86架构生成汇编代码，继续在底层机制上深钻。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
## 思考题
|
|||
|
|
|
|||
|
|
我们今天学到了指令集的概念，其实你当前使用的CPU可能会同时支持多个指令集。那你知道怎么来查询你的电脑的CPU支持的指令集吗？你可以把查询方法和这些指令集分享出来，并且查一查这些指令集都有什么用途，欢迎分享在留言区。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
感谢你和我一起学习，也欢迎你把这节课分享给更多对汇编代码感兴趣的朋友。我是宫文学，我们下节课见。
|
|||
|
|
|
|||
|
|
## 资源链接
|
|||
|
|
|
|||
|
|
1.[Arm Architecture Reference Manual - Armv8, for A profile Architecture](https://developer.arm.com/documentation/ddi0487/latest)
|
|||
|
|
|