????分享本文，介紹下更接近硬件底層的C語(yǔ)言與匯編，解釋 CPU 如何執(zhí)行代碼。

高級(jí)語(yǔ)言與低級(jí)語(yǔ)言

????學(xué)習(xí)編程其實(shí)就是學(xué)習(xí)與計(jì)算機(jī)交流的語(yǔ)言。因?yàn)橛?jì)算機(jī)不理解人類語(yǔ)言，通過(guò)編譯器把人類寫的代碼轉(zhuǎn)成二進(jìn)制代碼，才能在機(jī)器上運(yùn)行。掌握了高級(jí)語(yǔ)言，并不等于理解計(jì)算機(jī)實(shí)際的運(yùn)行步驟，還需要對(duì)C語(yǔ)言甚至是匯編有所了解才行。編程語(yǔ)言從低級(jí)到高級(jí)，如下圖所示。其中，Assembly Language也就是我們說(shuō)的匯編，在機(jī)器語(yǔ)言Machine Language與高級(jí)語(yǔ)言之間。

????然而，計(jì)算機(jī)只能理解低級(jí)語(yǔ)言，它專門用來(lái)控制硬件。

????匯編語(yǔ)言就是一種低級(jí)語(yǔ)言，直接描述或者控制CPU的運(yùn)行。通過(guò)學(xué)習(xí)匯編語(yǔ)言，可以了解CPU到底干了些什么。

????匯編語(yǔ)言不容易學(xué)習(xí)，大多數(shù)的嵌入式開(kāi)發(fā)用C語(yǔ)言就能做得很好。用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)效率更高，程序運(yùn)行效率并不會(huì)大打折扣。為什么還要學(xué)習(xí)匯編呢？權(quán)當(dāng)是為了更接近真相吧！

匯編語(yǔ)言怎么來(lái)的

????作為智能設(shè)備核心的CPU只負(fù)責(zé)計(jì)算，本身不具備智能，只會(huì)按照指令要求去執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。

????這些指令都是二進(jìn)制的，稱為操作碼(opcode)，比如加法指令就是00000011。編譯器的作用，就是將高級(jí)語(yǔ)言寫好的程序，翻譯成一條條操作碼。

????最早的時(shí)候，編寫程序就是手寫二進(jìn)制指令，程序就是一串0或1。據(jù)說(shuō)在上世紀(jì)，世界上只有為數(shù)不多的天才可以做到。寫完一連串01程序之后，通過(guò)各種開(kāi)關(guān)輸入計(jì)算機(jī)，比如要做加法了，就按一下加法開(kāi)關(guān)。后來(lái)，發(fā)明了紙帶打孔機(jī)，通過(guò)在紙帶上打孔，將二進(jìn)制指令自動(dòng)輸入計(jì)算機(jī)。如下圖，就可能是一段計(jì)算機(jī)指令。

????但是，這種反人類的二進(jìn)制程序難以理解，可讀性極差，換人來(lái)維護(hù)基本上等于從頭再來(lái)！根本看不出來(lái)機(jī)器干了什么。為了解決可讀性的問(wèn)題，以及偶爾的編輯需求，匯編語(yǔ)言應(yīng)運(yùn)而生。

????早期，為了解決二進(jìn)制指令的可讀性問(wèn)題，工程師曾經(jīng)將那些二進(jìn)制指令寫成了八進(jìn)制，但是八進(jìn)制的可讀性也不行。很自然地，最后還是用文字表達(dá)。匯編語(yǔ)言是二進(jìn)制指令的文本形式，與指令是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。比如，加法指令00000011寫成匯編語(yǔ)言就是 ADD。內(nèi)存地址也不再直接引用，而是用標(biāo)簽表示。

????把這些文字指令翻譯成二進(jìn)制，這個(gè)步驟就稱為匯編assembling，完成這個(gè)步驟的程序就叫做匯編器assembler。它處理的文本，標(biāo)準(zhǔn)化以后稱為匯編語(yǔ)言Assembly Language，縮寫為asm，文件名后綴為s。?

寄存器與內(nèi)存模型

寄存器

????每一種CPU 的機(jī)器指令都是不一樣的，因此對(duì)應(yīng)的匯編語(yǔ)言也不一樣。本文介紹的是最常見(jiàn)的Intel 公司CPU使用的那種x86匯編語(yǔ)言。

????學(xué)習(xí)匯編語(yǔ)言要熟悉兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)：寄存器和內(nèi)存模型。先來(lái)說(shuō)一下寄存器。

??? CPU本身只負(fù)責(zé)運(yùn)算，不負(fù)責(zé)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)一般都儲(chǔ)存在內(nèi)存之中，CPU要用的時(shí)候就去內(nèi)存讀寫數(shù)據(jù)。但是，CPU的運(yùn)算速度遠(yuǎn)高于內(nèi)存的讀寫速度，為了避免被拖慢，CPU都自帶一級(jí)緩存和二級(jí)緩存。基本上，CPU緩存可以看作是讀寫速度較快的內(nèi)存。

????由于CPU緩存還是不夠快，另外數(shù)據(jù)在緩存里面的地址是不固定的，CPU每次讀寫都要尋址也會(huì)拖慢速度。因此，除了緩存之外，CPU還自帶了寄存器(register)，用來(lái)儲(chǔ)存最常用的數(shù)據(jù)。也就是說(shuō)，像循環(huán)變量那種最頻繁讀寫的數(shù)據(jù)都會(huì)放在寄存器里面，CPU優(yōu)先讀寫寄存器，再由寄存器跟內(nèi)存交換數(shù)據(jù)。如下圖，按速度排序，從上到下依次降低。

????寄存器不依靠地址區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)，而依靠名稱。每一個(gè)寄存器都有自己的名稱，我們告訴CPU去具體的哪一個(gè)寄存器拿數(shù)據(jù)，這樣的速度是最快的。有人比喻寄存器是CPU的零級(jí)緩存。

????早期的x86CPU只有8個(gè)寄存器，而且每個(gè)都有不同的用途。現(xiàn)在的寄存器已經(jīng)有100多個(gè)了，都變成通用寄存器，不特別指定用途了，但是早期寄存器的名字都被保存了下來(lái)。

EAXEBXECXEDXEDIESIEBPESP

????上面這8個(gè)寄存器之中，前面七個(gè)都是通用的。ESP 寄存器有特定用途，保存當(dāng)前 Stack 的地址。

????常常看到的32位 CPU、64位 CPU 這樣的名稱，其實(shí)指的就是寄存器的大小。32 位 CPU 的寄存器大小就是4個(gè)字節(jié)。

內(nèi)存模型：Heap

????寄存器只能存放很少量的數(shù)據(jù)，大多數(shù)時(shí)候，CPU 要指揮寄存器，直接跟內(nèi)存交換數(shù)據(jù)。所以，除了寄存器，還必須了解內(nèi)存怎么儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。程序運(yùn)行的時(shí)候，操作系統(tǒng)會(huì)給它分配一段內(nèi)存，用來(lái)儲(chǔ)存程序和運(yùn)行產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。這段內(nèi)存有起始地址和結(jié)束地址，比如從0x1000到0x8000，起始地址是較小的那個(gè)地址，結(jié)束地址是較大的那個(gè)地址。

????程序運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)于動(dòng)態(tài)的內(nèi)存占用請(qǐng)求(比如新建對(duì)象，或者使用malloc命令)，系統(tǒng)就會(huì)從預(yù)先分配好的那段內(nèi)存之中，劃出一部分給用戶，具體規(guī)則是從起始地址開(kāi)始劃分(實(shí)際上，起始地址會(huì)有一段靜態(tài)數(shù)據(jù)，這里忽略)。舉例來(lái)說(shuō)，用戶要求得到10個(gè)字節(jié)內(nèi)存，那么從起始地址0x1000開(kāi)始給他分配，一直分配到地址0x100A，如果再要求得到22個(gè)字節(jié)，那么就分配到0x1020。

????這種因?yàn)橛脩糁鲃?dòng)請(qǐng)求而劃分出來(lái)的內(nèi)存區(qū)域，叫做 Heap(堆)。它由起始地址開(kāi)始，從低位(地址)向高位(地址)增長(zhǎng)。Heap 的一個(gè)重要特點(diǎn)就是不會(huì)自動(dòng)消失，必須手動(dòng)釋放，或者由垃圾回收機(jī)制來(lái)回收。

內(nèi)存模型：Stack

????除了 Heap 以外，其他的內(nèi)存占用叫做 Stack(棧)。簡(jiǎn)單說(shuō)，Stack 是由于函數(shù)運(yùn)行而臨時(shí)占用的內(nèi)存區(qū)域。

????請(qǐng)看下面的例子。

int main() { int a = 2; int b = 3;}

????上面代碼中，系統(tǒng)開(kāi)始執(zhí)行main函數(shù)時(shí)，會(huì)為它在內(nèi)存里面建立一個(gè)幀(frame)，所有main的內(nèi)部變量(比如a和b)都保存在這個(gè)幀里面。main函數(shù)執(zhí)行結(jié)束后，該幀就會(huì)被回收，釋放所有的內(nèi)部變量，不再占用空間。

????如果函數(shù)內(nèi)部調(diào)用了其他函數(shù)，會(huì)發(fā)生什么情況？

int main() { int a = 2; int b = 3; return add_a_and_b(a, b);}

????上面代碼中，main函數(shù)內(nèi)部調(diào)用了add_a_and_b函數(shù)。執(zhí)行到這一行的時(shí)候，系統(tǒng)也會(huì)為add_a_and_b新建一個(gè)幀，用來(lái)儲(chǔ)存它的內(nèi)部變量。也就是說(shuō)，此時(shí)同時(shí)存在兩個(gè)幀：main和add_a_and_b。一般來(lái)說(shuō)，調(diào)用棧有多少層，就有多少幀。

????等到add_a_and_b運(yùn)行結(jié)束，它的幀就會(huì)被回收，系統(tǒng)會(huì)回到函數(shù)main剛才中斷執(zhí)行的地方，繼續(xù)往下執(zhí)行。通過(guò)這種機(jī)制，就實(shí)現(xiàn)了函數(shù)的層層調(diào)用，并且每一層都能使用自己的本地變量。所有的幀都存放在 Stack，由于幀是一層層疊加的，所以 Stack 叫做棧。生成新的幀，叫做"入棧"，英文是 push；棧的回收叫做"出棧"，英文是 pop。Stack 的特點(diǎn)就是，最晚入棧的幀最早出棧(因?yàn)樽顑?nèi)層的函數(shù)調(diào)用，最先結(jié)束運(yùn)行)，這就叫做"后進(jìn)先出"的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。每一次函數(shù)執(zhí)行結(jié)束，就自動(dòng)釋放一個(gè)幀，所有函數(shù)執(zhí)行結(jié)束，整個(gè) Stack 就都釋放了。

??? Stack 是由內(nèi)存區(qū)域的結(jié)束地址開(kāi)始，從高位(地址)向低位(地址)分配。比如，內(nèi)存區(qū)域的結(jié)束地址是0x8000，第一幀假定是16字節(jié)，那么下一次分配的地址就會(huì)從0x7FF0開(kāi)始；第二幀假定需要64字節(jié)，那么地址就會(huì)移動(dòng)到0x7FB0。

CPU 指令

一個(gè)實(shí)例

????了解寄存器和內(nèi)存模型以后，就可以來(lái)看匯編語(yǔ)言到底是什么了。下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的程序example.c。

int add_a_and_b(int a, int b) { return a + b;}int main() { return add_a_and_b(2, 3);}

??? gcc 將這個(gè)程序轉(zhuǎn)成匯編語(yǔ)言。

$ gcc -S example.c

????上面的命令執(zhí)行以后，會(huì)生成一個(gè)文本文件example.s，里面就是匯編語(yǔ)言，包含了幾十行指令。這么說(shuō)吧，一個(gè)高級(jí)語(yǔ)言的簡(jiǎn)單操作，底層可能由幾個(gè)，甚至幾十個(gè) CPU 指令構(gòu)成。CPU 依次執(zhí)行這些指令，完成這一步操作。

??? example.s經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化以后，大概是下面的樣子。

_add_a_and_b: push %ebx mov %eax, [%esp+8] mov %ebx, [%esp+12] add %eax, %ebx pop %ebx ret _main: push 3 push 2 call _add_a_and_b add %esp, 8 ret

????可以看到，原程序的兩個(gè)函數(shù)add_a_and_b和main，對(duì)應(yīng)兩個(gè)標(biāo)簽_add_a_and_b和_main。每個(gè)標(biāo)簽里面是該函數(shù)所轉(zhuǎn)成的 CPU 運(yùn)行流程。

????每一行就是 CPU 執(zhí)行的一次操作。它又分成兩部分，就以其中一行為例。

push %ebx

????這一行里面，push是 CPU 指令，%ebx是該指令要用到的運(yùn)算子。一個(gè) CPU 指令可以有零個(gè)到多個(gè)運(yùn)算子。下面我就一行一行講解這個(gè)匯編程序，建議讀者最好把這個(gè)程序，在另一個(gè)窗口拷貝一份，省得閱讀的時(shí)候再把頁(yè)面滾動(dòng)上來(lái)。

push指令

????程序從_main標(biāo)簽開(kāi)始執(zhí)行，這時(shí)會(huì)在 Stack 上為main建立一個(gè)幀，并將 Stack 所指向的地址，寫入 ESP 寄存器。后面如果有數(shù)據(jù)要寫入main這個(gè)幀，就會(huì)寫在 ESP 寄存器所保存的地址。然后，開(kāi)始執(zhí)行第一行代碼。

push?3

??? push指令用于將運(yùn)算子放入 Stack，這里就是將3寫入main這個(gè)幀。

????雖然看上去很簡(jiǎn)單，push指令其實(shí)有一個(gè)前置操作。它會(huì)先取出 ESP 寄存器里面的地址，將其減去4個(gè)字節(jié)，然后將新地址寫入 ESP 寄存器。使用減法是因?yàn)?Stack 從高位向低位發(fā)展，4個(gè)字節(jié)則是因?yàn)?的類型是int，占用4個(gè)字節(jié)。得到新地址以后， 3 就會(huì)寫入這個(gè)地址開(kāi)始的四個(gè)字節(jié)。

push 2

????第二行也是一樣，push指令將2寫入main這個(gè)幀，位置緊貼著前面寫入的3。這時(shí)，ESP 寄存器會(huì)再減去 4個(gè)字節(jié)(累計(jì)減去8)。

call指令

????第三行的call指令用來(lái)調(diào)用函數(shù)。

call _add_a_and_b

????上面的代碼表示調(diào)用add_a_and_b函數(shù)。這時(shí)，程序就會(huì)去找_add_a_and_b標(biāo)簽，并為該函數(shù)建立一個(gè)新的幀。下面就開(kāi)始執(zhí)行_add_a_and_b的代碼。

push %ebx

????這一行表示將 EBX 寄存器里面的值，寫入_add_a_and_b這個(gè)幀。這是因?yàn)楹竺嬉玫竭@個(gè)寄存器，就先把里面的值取出來(lái)，用完后再寫回去。這時(shí)，push指令會(huì)再將 ESP 寄存器里面的地址減去4個(gè)字節(jié)(累計(jì)減去12)。

mov指令

??? mov指令用于將一個(gè)值寫入某個(gè)寄存器。

mov %eax, [%esp+8]

????這一行代碼表示，先將 ESP 寄存器里面的地址加上8個(gè)字節(jié)，得到一個(gè)新的地址，然后按照這個(gè)地址在 Stack 取出數(shù)據(jù)。根據(jù)前面的步驟，可以推算出這里取出的是2，再將2寫入 EAX 寄存器。下一行代碼也是干同樣的事情。

mov %ebx, [%esp+12]

????上面的代碼將 ESP 寄存器的值加12個(gè)字節(jié)，再按照這個(gè)地址在 Stack 取出數(shù)據(jù)，這次取出的是3，將其寫入 EBX 寄存器。

add指令

??? add指令用于將兩個(gè)運(yùn)算子相加，并將結(jié)果寫入第一個(gè)運(yùn)算子。

add %eax, %ebx

????上面的代碼將 EAX 寄存器的值(即2)加上 EBX 寄存器的值(即3)，得到結(jié)果5，再將這個(gè)結(jié)果寫入第一個(gè)運(yùn)算子 EAX 寄存器。

pop指令

??? pop指令用于取出 Stack 最近一個(gè)寫入的值(即最低位地址的值)，并將這個(gè)值寫入運(yùn)算子指定的位置。

pop %ebx

????上面的代碼表示，取出 Stack 最近寫入的值(即 EBX 寄存器的原始值)，再將這個(gè)值寫回 EBX 寄存器(因?yàn)榧臃ㄒ呀?jīng)做完了，EBX 寄存器用不到了)。

注意，pop指令還會(huì)將 ESP 寄存器里面的地址加4，即回收4個(gè)字節(jié)。

ret指令

??? ret指令用于終止當(dāng)前函數(shù)的執(zhí)行，將運(yùn)行權(quán)交還給上層函數(shù)。也就是，當(dāng)前函數(shù)的幀將被回收。如下，可以看到，該指令沒(méi)有運(yùn)算子。

ret

????隨著add_a_and_b函數(shù)終止執(zhí)行，系統(tǒng)就回到剛才main函數(shù)中斷的地方，繼續(xù)往下執(zhí)行。

add %esp, 8

????上面的代碼表示，將 ESP 寄存器里面的地址，手動(dòng)加上8個(gè)字節(jié)，再寫回 ESP 寄存器。這是因?yàn)?ESP 寄存器的是 Stack 的寫入開(kāi)始地址，前面的pop操作已經(jīng)回收了4個(gè)字節(jié)，這里再回收8個(gè)字節(jié)，等于全部回收。

ret

????最后，main函數(shù)運(yùn)行結(jié)束，執(zhí)行ret指令退出程序的執(zhí)行。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的uml+oopc嵌入式c语言开发精讲_嵌入式开发中更接近底层的汇编与C语言的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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