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    本文介绍下更接近硬件底层的C语言与汇编，解释 CPU 如何执行代码。

高级语言与低级语言

    学习编程其实就是学习与计算机交流的语言。因为计算机不理解人类语言，通过编译器把人类写的代码转成二进制代码，才能在机器上运行。掌握了高级语言，并不等于理解计算机实际的运行步骤，还需要对C语言甚至是汇编有所了解才行。编程语言从低级到高级，如下图所示。其中，Assembly Language也就是我们说的汇编，在机器语言Machine Language与高级语言之间。

    然而，计算机只能理解低级语言，它专门用来控制硬件。

    汇编语言就是一种低级语言，直接描述或者控制CPU的运行。通过学习汇编语言，可以了解CPU到底干了些什么，相关文章推荐:CPU怎么识别我们写的代码？

    汇编语言不容易学习，大多数的嵌入式开发用C语言就能做得很好。用C语言开发效率更高，程序运行效率并不会大打折扣。为什么还要学习汇编呢？权当是为了更接近真相吧！

    作为智能设备核心的CPU只负责计算，本身不具备智能，只会按照指令要求去执行相应动作。

    这些指令都是二进制的，称为操作码（opcode），比如加法指令就是00000011。编译器的作用，就是将高级语言写好的程序，翻译成一条条操作码。

    最早的时候，编写程序就是手写二进制指令，程序就是一串0或1。据说在上世纪，世界上只有为数不多的天才可以做到。写完一连串01程序之后，通过各种开关输入计算机，比如要做加法了，就按一下加法开关，相关文章:用一堆开关做成一个CPU？后来，发明了纸带打孔机，通过在纸带上打孔，将二进制指令自动输入计算机。如下图，就可能是一段计算机指令。

    但是，这种反人类的二进制程序难以理解，可读性极差，换人来维护基本上等于从头再来！根本看不出来机器干了什么。为了解决可读性的问题，以及偶尔的编辑需求，汇编语言应运而生。

    早期，为了解决二进制指令的可读性问题，工程师曾经将那些二进制指令写成了八进制，但是八进制的可读性也不行。很自然地，最后还是用文字表达。汇编语言是二进制指令的文本形式，与指令是一一对应的关系。比如，加法指令00000011写成汇编语言就是 ADD。内存地址也不再直接引用，而是用标签表示。

    把这些文字指令翻译成二进制，这个步骤就称为汇编assembling，完成这个步骤的程序就叫做汇编器assembler。它处理的文本，标准化以后称为汇编语言Assembly Language，缩写为asm，文件名后缀为s。 

寄存器

    每一种CPU 的机器指令都是不一样的，因此对应的汇编语言也不一样。本文介绍的是最常见的Intel 公司CPU使用的那种x86汇编语言。

    学习汇编语言要熟悉两个知识点：寄存器和内存模型。先来说一下寄存器。

    CPU本身只负责运算，不负责储存数据。数据一般都储存在内存之中，CPU要用的时候就去内存读写数据。但是，CPU的运算速度远高于内存的读写速度，为了避免被拖慢，CPU都自带一级缓存和二级缓存。基本上，CPU缓存可以看作是读写速度较快的内存。

    由于CPU缓存还是不够快，另外数据在缓存里面的地址是不固定的，CPU每次读写都要寻址也会拖慢速度。因此，除了缓存之外，CPU还自带了寄存器（register），用来储存最常用的数据。也就是说，像循环变量那种最频繁读写的数据都会放在寄存器里面，CPU优先读写寄存器，再由寄存器跟内存交换数据。如下图，按速度排序，从上到下依次降低。

    寄存器不依靠地址区分数据，而依靠名称。每一个寄存器都有自己的名称，我们告诉CPU去具体的哪一个寄存器拿数据，这样的速度是最快的。有人比喻寄存器是CPU的零级缓存。

    早期的x86CPU只有8个寄存器，而且每个都有不同的用途。现在的寄存器已经有100多个了，都变成通用寄存器，不特别指定用途了，但是早期寄存器的名字都被保存了下来。

    上面这8个寄存器之中，前面七个都是通用的。ESP 寄存器有特定用途，保存当前 Stack 的地址。

    常常看到的32位 CPU、64位 CPU 这样的名称，其实指的就是寄存器的大小。32 位 CPU 的寄存器大小就是4个字节。

    寄存器只能存放很少量的数据，大多数时候，CPU 要指挥寄存器，直接跟内存交换数据。所以，除了寄存器，还必须了解内存怎么储存数据。程序运行的时候，操作系统会给它分配一段内存，用来储存程序和运行产生的数据。这段内存有起始地址和结束地址，比如从0x1000到0x8000，起始地址是较小的那个地址，结束地址是较大的那个地址。

    程序运行过程中，对于动态的内存占用请求（比如新建对象，或者使用malloc命令），系统就会从预先分配好的那段内存之中，划出一部分给用户，具体规则是从起始地址开始划分（实际上，起始地址会有一段静态数据，这里忽略）。举例来说，用户要求得到10个字节内存，那么从起始地址0x1000开始给他分配，一直分配到地址0x100A，如果再要求得到22个字节，那么就分配到0x1020。

    这种因为用户主动请求而划分出来的内存区域，叫做 Heap（堆）。它由起始地址开始，从低位（地址）向高位（地址）增长。Heap 的一个重要特点就是不会自动消失，必须手动释放，或者由垃圾回收机制来回收。

    除了 Heap 以外，其他的内存占用叫做 Stack（栈）。简单说，Stack 是由于函数运行而临时占用的内存区域。

    请看下面的例子。

    上面代码中，系统开始执行main函数时，会为它在内存里面建立一个帧（frame），所有main的内部变量（比如a和b）都保存在这个帧里面。main函数执行结束后，该帧就会被回收，释放所有的内部变量，不再占用空间。

    如果函数内部调用了其他函数，会发生什么情况？

    上面代码中，main函数内部调用了add_a_and_b函数。执行到这一行的时候，系统也会为add_a_and_b新建一个帧，用来储存它的内部变量。也就是说，此时同时存在两个帧：main和add_a_and_b。一般来说，调用栈有多少层，就有多少帧。

    等到add_a_and_b运行结束，它的帧就会被回收，系统会回到函数main刚才中断执行的地方，继续往下执行。通过这种机制，就实现了函数的层层调用，并且每一层都能使用自己的本地变量。所有的帧都存放在 Stack，由于帧是一层层叠加的，所以 Stack 叫做栈。生成新的帧，叫做"入栈"，英文是 push；栈的回收叫做"出栈"，英文是 pop。Stack 的特点就是，最晚入栈的帧最早出栈（因为最内层的函数调用，最先结束运行），这就叫做"后进先出"的数据结构。每一次函数执行结束，就自动释放一个帧，所有函数执行结束，整个 Stack 就都释放了。

    Stack 是由内存区域的结束地址开始，从高位（地址）向低位（地址）分配。比如，内存区域的结束地址是0x8000，第一帧假定是16字节，那么下一次分配的地址就会从0x7FF0开始；第二帧假定需要64字节，那么地址就会移动到0x7FB0。

    了解寄存器和内存模型以后，就可以来看汇编语言到底是什么了。下面是一个简单的程序example.c。

    gcc 将这个程序转成汇编语言。

    上面的命令执行以后，会生成一个文本文件example.s，里面就是汇编语言，包含了几十行指令。这么说吧，一个高级语言的简单操作，底层可能由几个，甚至几十个 CPU 指令构成。CPU 依次执行这些指令，完成这一步操作。

    example.s经过简化以后，大概是下面的样子。

    可以看到，原程序的两个函数add_a_and_b和main，对应两个标签_add_a_and_b和_main。每个标签里面是该函数所转成的 CPU 运行流程。

    每一行就是 CPU 执行的一次操作。它又分成两部分，就以其中一行为例。

    这一行里面，push是 CPU 指令，%ebx是该指令要用到的运算子。一个 CPU 指令可以有零个到多个运算子。下面我就一行一行讲解这个汇编程序，建议读者最好把这个程序，在另一个窗口拷贝一份，省得阅读的时候再把页面滚动上来。

    程序从_main标签开始执行，这时会在 Stack 上为main建立一个帧，并将 Stack 所指向的地址，写入 ESP 寄存器。后面如果有数据要写入main这个帧，就会写在 ESP 寄存器所保存的地址。然后，开始执行第一行代码。

push 3

    push指令用于将运算子放入 Stack，这里就是将3写入main这个帧。

    虽然看上去很简单，push指令其实有一个前置操作。它会先取出 ESP 寄存器里面的地址，将其减去4个字节，然后将新地址写入 ESP 寄存器。使用减法是因为 Stack 从高位向低位发展，4个字节则是因为3的类型是int，占用4个字节。得到新地址以后， 3 就会写入这个地址开始的四个字节。

push 2

    第二行也是一样，push指令将2写入main这个帧，位置紧贴着前面写入的3。这时，ESP 寄存器会再减去 4个字节（累计减去8）。

    第三行的call指令用来调用函数。

call _add_a_and_b

    上面的代码表示调用add_a_and_b函数。这时，程序就会去找_add_a_and_b标签，并为该函数建立一个新的帧。下面就开始执行_add_a_and_b的代码。

push %ebx

    这一行表示将 EBX 寄存器里面的值，写入_add_a_and_b这个帧。这是因为后面要用到这个寄存器，就先把里面的值取出来，用完后再写回去。这时，push指令会再将 ESP 寄存器里面的地址减去4个字节（累计减去12）。

    mov指令用于将一个值写入某个寄存器。

mov    %eax, [%esp+8]

    这一行代码表示，先将 ESP 寄存器里面的地址加上8个字节，得到一个新的地址，然后按照这个地址在 Stack 取出数据。根据前面的步骤，可以推算出这里取出的是2，再将2写入 EAX 寄存器。下一行代码也是干同样的事情。

mov    %ebx, [%esp+12]

    上面的代码将 ESP 寄存器的值加12个字节，再按照这个地址在 Stack 取出数据，这次取出的是3，将其写入 EBX 寄存器。

    add指令用于将两个运算子相加，并将结果写入第一个运算子。

add    %eax, %ebx

    上面的代码将 EAX 寄存器的值（即2）加上 EBX 寄存器的值（即3），得到结果5，再将这个结果写入第一个运算子 EAX 寄存器。

    pop指令用于取出 Stack 最近一个写入的值（即最低位地址的值），并将这个值写入运算子指定的位置。

pop    %ebx

    上面的代码表示，取出 Stack 最近写入的值（即 EBX 寄存器的原始值），再将这个值写回 EBX 寄存器（因为加法已经做完了，EBX 寄存器用不到了）。

注意，pop指令还会将 ESP 寄存器里面的地址加4，即回收4个字节。

    ret指令用于终止当前函数的执行，将运行权交还给上层函数。也就是，当前函数的帧将被回收。如下，可以看到，该指令没有运算子。

ret

    随着add_a_and_b函数终止执行，系统就回到刚才main函数中断的地方，继续往下执行。

add    %esp, 8

    上面的代码表示，将 ESP 寄存器里面的地址，手动加上8个字节，再写回 ESP 寄存器。这是因为 ESP 寄存器的是 Stack 的写入开始地址，前面的pop操作已经回收了4个字节，这里再回收8个字节，等于全部回收。

ret

    最后，main函数运行结束，执行ret指令退出程序的执行。