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哈尔滨工业大学-大学计算机第4讲-冯.诺依曼计算机-机器级程序及其执行
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你可能喜欢第三章 程序的机器级表示
3.1 历史观点
Intel处理器系列俗称x86，开始时是第一代单芯片、16位微处理器之一。
每个后继处理器的设计都是后向兼容的&&较早版本上编译的代码可以在较新的处理器上运行。
X86 寻址方式经历三代：
&&&& 1& DOS时代的平坦模式，不区分用户空间和内核空间，很不安全
&&&& 2& 8086的分段模式
&&&& 3& IA32的带保护模式的平坦模式
3.2 程序编码
gcc -01 -o
-01 表示使用第一级优化。优化的级别与编译时间和最终产生代码的形式都有关系，一般认为第二级优化-02&是较好的选择。
-o 表示将p1.c编译后的可执行文件命名为p
3.2.1机器级代码
计算机系统使用了多种不同形式的抽象，对于机器级编程来说，两种抽象尤为重要。第一种是机器级程序的格式和行为，定义为指令集体系结构（ISA),他定义了处理器状态、指令的格式，以及每条指令对状态的影响。
几个处理器：
程序计数器(CS:IP)
整数寄存器（AX,BX,CX,DX）
条件码寄存器（OF,SF,ZF,AF,PF,CF）
浮点寄存器
3.2.2代码示例
在命令行上使用&-S&选项，就能得到C语言编译器产生的汇编代码：unix& gcc -01 -S code.c这会使GCC运行编译器产生一个汇编文件code.s，但不做其他进一步工作
如果在命令行上使用&-C&选项，GCC会编译并汇编该代码：unix& gcc -01 -c code.c这就会产生目标代码文件code.o，他是二进制格式，无法直接查看。
要查看目标代码文件的内容，需要使用反汇编器：
unix& objdump -d code.o
机器代码和它的反汇编表示的一些特性：
IA32指令长度从1到15个字节不等。
设计指令格式的方式是，从某个给定位置开始，可以将字节唯一的解码成机器指令。
反汇编器只是基于机器代码文件中的字节序列来确定汇编代码，不需要访问程序的源代码或汇编代码。
反汇编器使用的指令命名规则与GCC生成的汇编代码使用的有些差别。
3.3 数据格式
1.Intel中：
8 位：字节
32位：双字
64位：四字
2.c语言基本数据类型对应的IA32表示
long long int （不支持）
char * 双字
float 单精度
double 双精度
long double 扩展精度
3.数据传送指令的三个变种：
movb 传送字节
movw 传送字
movl 传送双字
3.4 访问信息
3.4.1操作数指示符
&大多数指令都有一个或多个操作数，指示出执行一个操作中要引用的源数据值，以及放置结果的目标位置。
操作数的三种类型
寻址方式：
1.立即数寻址方式
2.寄存器寻址方式
3.存储器寻址方式
直接寻址方式
寄存器间接寻址方式
寄存器相对寻址方式
基址变址寻址方式
相对基址变址寻址方式
3.4.2 数据传送指令
mov类指令：将源操作数的值复制到目的操作数中。源操作数指定的值是一个立即数，存储在寄存器中或存储器中。目的操作数制指定一个位置，要么是一个寄存器，要么是一个存储器。
movb 传送字节
movw 传送字
movl 传送双字
movs 符号位扩展
movz 零扩展
push：把数据压入栈中
pop：删除数据
栈指针指向栈顶元素
栈朝低地址方向增长
3.4.3&数据传送示例
c语言中的指针其实就是地址，间接引用指针就是将该指针放在一个寄存器中，然后在存储器引用中使用这个寄存器
局部变量通常保存在寄存器中，而不是存储器
3.5 算术和逻辑操作
3.5.1 加载有效地址
加载有效地址指令leal实际上就是movl指令的变形。它的指令形式是从存储器读取数据到寄存器，但实际根本没引用存储器。
3.5.2 一元操作和二元操作
一元操作：只有一个操作数，既是源又是目的，可以是一个寄存器，或者存储器位置。
二元操作：源操作数 目的操作数
第一个操作数可以是立即数、寄存器或者存储器位置
第二个操作数可以是寄存器或者存储器位置
但是不能同时是存储器位置
3.5.3 移位操作
SAL 算术左移
SHL 逻辑左移
SAR 算术右移（补符号位）
SHR 逻辑右移（补0）
3.5.5 特殊的算术操作
3.6.1 条件码
CF:进位标志
SF:符号标志
OF:溢出标志&
3.6.2 访问条件码
条件码不会直接读取，常用的使用方法有三种：
可以根据条件码的某个组合，将一个字节设置为0或者1
可以条件跳转到程序的某个其他的部分
可以有条件地传送数据
执行比较指令，根据计算t=a-b设置条件码。
3.6.3 跳转指令及其编码
跳转指令会导致执行切换到程序中一个全新的位置。在汇编代码中，这些跳转的目的地通常用一个标号指明。
跳转指令有几种不同的编码，最常用的是PC（程序计数器）相关的。
jump分为：
直接跳转：后面跟标号作为跳转目标
间接跳转：*后面跟一个操作数指示符
当执行与PC相关的寻址时，程序计数器的值是跳转指令后面的那条指令的地址，而不是跳转指令本身的地址。
3.6.4 翻译条件分支
将条件表达式和语句从c语言翻译成机器语言，最常用的方式就是结合有条件和无条件跳转。
3.6.5 循环
汇编中没有do-while、while和for相应的指令存在，可以用条件测试和跳转组合起来实现循环的效果。大多数汇编器中都要先将其他形式的循环转换成do-while格式。
1.do-while循环
通用形式：
body-statement
while(test-expr);
循环体body-statement至少执行一次。
可以翻译成如下条件和goto语句：
body-statement
每次循环，程序会执行循环体的语句，然后执行测试表达式。
2.while循环
通用形式：
while (test-expr)
body-statement
GCC的方法是使用条件分支，在需要时省略循环体的第一次执行：
if(！test-expr）
body-statement
while(test-expr);
接下来，这个代码可以直接翻译成goto代码：
goto done:
body-statement
通用形式：
for(init-test-update-expr)body-satamentdo-while形式：init-if(!test-expr)do{
body-statement
}while(test-expr);done:翻译成goto代码：init-t=test-if(!t)loop:
body-statementupdate-t= test-if(t)
goto-done:
3.6.6 条件传送指令
实现条件操作的传统方法是利用控制的条件转移。
数据的条件转移是一种替代的策略。此方法先计算一个条件操作的两种结果，然后再根据条件是否满足从而选取一个。
只有在一些受限制的情况下，这种策略才可行，但如果可行，就可以用一条简单的条件传送指令来实现它。
条件传送指令更好地匹配了现代处理器的性能特性。
3.6.7 Switch语句
3.7.1 栈帧结构
栈用来传递参数、存储返回信息、保存寄存器，以及本地存储。
为单个过程分配的那部分栈称为栈帧。
2.最顶端的栈帧以两个指针界定：
寄存器%ebp-帧指针
寄存器%esp-栈指针
3.7.2转移控制
CALL指令的效果是将返回地址入栈，并跳转到被调用过程的起始处。
返回地址是还在程序中紧跟在call后面的那条指令的地址。
ret指从栈中弹出地址，并跳转到这个位置。
这个指令使栈做好返回的准备
3.7.3 寄存器使用惯例
程序寄存器组是唯一能被所有过程共享的资源。
3.8 数组分配和访问
3.8.1&基本原则
3.8.2&指针运算
3.8.3&嵌套的数组
3.8.5 变长数组
3.9&异质的数据结构
创建数据类型机制的两种不同类型的对象：●结构：用关键字struct声明，将多个对象集合到一个单位中
●联合：用关键字union声明，允许用几种不同的类型来引用一个对象。
3.10&综合：理解指针
（1）每个指针都对应一个类型
（2）每个指针都有一个值
（3）指针用&运算符创建
（4）操作符用于指针的间接引用
（5）数组与指针紧密联系
（6）指针也可以指向函数
3.11&应用：使用 GDB调试器
3.12 存储器的越界引用和缓冲区溢出
！对抗缓冲区溢出攻击
a.栈随机化
b.栈破坏检测
c.限制可执行代码区域
3.13&X86-64: 将IA32扩展到64位（了解知识）
3.14 浮点程序的机器级表示
浮点体系结构&&存储模型、指令和传递规则的组合。（x87和SSE）
出现的问题：有部分和汇编相关的知识点理解起来有些困难，需要查阅相关学习资料才能理解部分。还有就是课后作业编译只会第一步，接下来的步骤不会，希望老师详解。
课后作业：
阅读(...) 评论()第1章习题答案_百度文库
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第1章习题答案
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机器级程序的存储与执行解析
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