CPU內部的奧秘：代碼是如何被執行的？-有解無憂

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本文作者：景明

我們以一段 C 代碼為例，來看一下代碼被編譯成二進制可執行程式之后，是如何被 CPU 執行的，

在這段代碼中，只是做了非常簡單的加法操作，將 x 和 y 兩個數字相加得到 z，并回傳結果 z，

int main() {
    int x = 1;
    int y = 2;
    int z = x + y;
    return z;
}

我們知道，CPU 并不能直接執行這段 C 代碼，而是需要對其進行編譯，將其轉換為二進制的機器碼，然后 CPU 才能按照順序執行編譯后的機器碼，

先通過 GCC 編譯器將這段 C 代碼編譯成二進制檔案，輸入以下命令讓其編譯成目的檔案：

gcc -O0 -o code_prog code.c

輸入上面的命令之后回車，在檔案夾中生成名為 code_prog 的可執行程式，接下來再將編譯出來的 code_prog 程式進行反匯編，這樣就可以看到二進制代碼和對應的匯編代碼，可以使用 objdump 的完成該任務，命令如下所示：

objdump -d code_prog

最后編譯出來的機器碼如下：

0000000100003f84 <_main>:
100003f84: ff 43 00 d1  	  sub	sp, sp, #16            // 開辟堆疊空間，即開辟了四個 4 位元組空間
100003f88: ff 0f 00 b9  	  str	wzr, [sp, #12]         // 將 wzr 暫存器的資料存盤到 sp 暫存器的 #12 地址上，設為0
100003f8c: 28 00 80 52  	  mov	w8, #1                 // 創建一個 x = 1，并將 1 存入 w8 暫存器中
100003f90: e8 0b 00 b9  	  str	w8, [sp, #8]           // 將 w8 暫存器的資料存入 sp 暫存器中 #8 的地址中，也就是將 x = 1 存入
100003f94: 48 00 80 52  	  mov	w8, #2                 // 創建一個 y = 2，并將 2 存入 w8 暫存器中
100003f98: e8 07 00 b9  	  str	w8, [sp, #4]           // 將 w8 暫存器的資料存入 sp 暫存器中 #4 的地址中，也就是將 y = 2 存入
100003f9c: e8 0b 40 b9  	  ldr	w8, [sp, #8]           // 讀取 sp 暫存器中 #8 的資料存入 w8 暫存器中，也就是獲取 x = 1
100003fa0: e9 07 40 b9  	  ldr	w9, [sp, #4]           // 讀取 sp 暫存器中 #4 的資料存入 w9 暫存器中，也就是獲取 y = 2
100003fa4: 08 01 09 0b  	  add	w8, w8, w9             // 將 w8、w9 暫存器的 x,y 資料進行相加，并存入 w8 暫存器中，也就是 z = 3
100003fa8: e8 03 00 b9  	  str	w8, [sp]               // 將 w8 暫存器的資料存入 sp 暫存器中
100003fac: e0 03 40 b9  	  ldr	w0, [sp]               // 讀取 sp 暫存器中的資料存到 w0 暫存器中，z = 3
100003fb0: ff 43 00 91  	  add	sp, sp, #16            // 清空開辟的堆疊空間
100003fb4: c0 03 5f d6  	  ret                        // 回傳結果

PS: wzr 為 32 的零暫存器，專門用來清零，也就是 sp 上 #12 指向的資料設定為 0

觀察上方，左邊就是編譯生成的機器碼，在這里它是使用十六進制來展示的，這主要是因為十六進制比較容易閱讀，所以通常使用十六進制來展示二進制代碼，

可以觀察到上圖是由很多行組成的，每一行都是一個指令，該指令可以讓 CPU 執行指定的任務，

中間的部分是匯編代碼，例如原本是二進制表示的指令，在匯編代碼中可以使用單詞來表示，比如 mov、add 就分別表示資料的存盤和相加，

通常將匯編語言撰寫的程式轉換為機器語言的程序稱為“匯編”；反之，機器語言轉化為匯編語言的程序稱為“反匯編”，比如上圖就是對 code_prog 行程進行了反匯編操作，

右邊添加的注釋，表示每條指令的具體含義，

這一大堆指令按照順序集合在一起就組成了程式，所以程式的執行，本質上就是 CPU 按照順序執行這一大堆指令的程序，

CPU 是怎么執行程式的？

為了更好的分析程式的執行程序，我們還需要了解一下基礎的計算機硬體資訊，具體如下圖：

file

這張圖是比較通用的系統硬體組織模型圖，它主要是由 CPU、主存盤器、各種 IO 總線，還有一些外部設備組成的，

首先，在一個程式執行之前，程式需要被裝進記憶體，比如在 macOS 下面，你可以通過滑鼠點擊一個可執行檔案，當你點擊該檔案的時候，系統中的程式加載器會將該檔案加載到記憶體中，

CPU 可以通過指定記憶體地址，從記憶體中讀取資料，或者往記憶體中寫入資料，有了記憶體地址，CPU 和記憶體就可以有序地互動，

記憶體中的每個存盤空間都有其對應的獨一無二的地址：

file

在記憶體中，每個存放位元組的空間都有其唯一的地址，而且地址是按照順序排放的，

以開頭代碼為例，這段代碼會被編譯成可執行檔案，可執行檔案中包含了二進制的機器碼，當二進制代碼被加載進了記憶體后，那么記憶體中的每條二進制代碼便都有了自己對應的地址，如下圖所示：

file

一旦二進制代碼被裝載進記憶體，CPU 便可以從記憶體中取出一條指令，然后分析該指令，最后執行該指令，

把取出指令、分析指令、執行指令這三個程序稱為一個 CPU 時鐘周期，CPU 是永不停歇的，當它執行完成一條指令之后，會立即從記憶體中取出下一條指令，接著分析該指令，執行該指令，CPU 一直重復執行該程序，直至所有的指令執行完成，

CPU 是怎么知道要取出記憶體中的哪條指令呢？：

file

從上圖可以看到 CPU 中有一個 PC 暫存器，它保存了將要執行的指令地址，當二進制代碼被裝載進了記憶體之后，系統會將二進制代碼中的第一條指令的地址寫入到 PC 暫存器中，到了下一個時鐘周期時，CPU 便會根據 PC 暫存器中的地址，從記憶體中取出指令，

PC 暫存器中的指令取出來之后，系統要做兩件事：第一件是將下一條指令的地址更新到 PC 暫存器中，如下圖所示：

file

更新了 PC 暫存器之后，CPU 就會立即做第二件事，那就是分析該指令，并識別出不同的型別的指令，以及各種獲取運算元的方法，

在指令分析完成之后，就要執行指令了，

在執行指令前，我們還需要認識一下 CPU 中的重要部件：暫存器，

暫存器

暫存器是 CPU 中用來存放資料的設備，不同處理器中暫存器的個數也是不一樣的，之所要暫存器，是因為 CPU 訪問記憶體的速度很慢，所以 CPU 就在內部添加了一些存盤設備，這些設備就是暫存器，

他們的讀取速度如下：

file

總結來說，暫存器容量小，讀寫速度快，記憶體容量大，讀寫速度慢，

暫存器通常用來存放資料或者記憶體中某塊資料的地址，我們把這個地址又稱為指標，通常情況下暫存器對存放的資料是沒有特別的限制的，比如某個通用暫存器既可以存盤資料，也可以存盤指標，

不過由于歷史原因，我們還會將某些專用的資料或者指標存盤在專用的通用暫存器中，比如 rbp 暫存器通常用來存放堆疊幀指標的，rsp 暫存器用來存放堆疊頂指標的，PC 暫存器用來存放下一條要執行的指令等，

特殊暫存器

Stack Pointer register（SP）

The use of SP as an operand in an instruction, indicates the use of the current stack pointer.
指向當前堆疊指標，堆疊指標總是指向堆疊頂位置，一般堆疊的堆疊底不能動，所以資料入堆疊前要先修改堆疊指標，使它指向新的空余空間然后再把資料存進去，出堆疊的時候相反，

堆疊指標，隨時跟蹤堆疊頂地址，按"先進后出"的原則存取資料，

Link Register （LR）

連接暫存器，一是用來保存子程式回傳地址；二是當例外發生時，LR中保存的值等于例外發生時PC的值減4（或者減2），因此在各種例外模式下可以根據LR的值回傳到例外發生前的相應位置繼續執行，

Program Counter（PC）

A 64-bit Program Counter holding the address of the current instruction.
保存了將要執行的指令地址

Word Zero Register（WZR）

零暫存器，用于給int清零

tips

不同指令中暫存器后 #d 有什么區別？
[#d]在ARM代表的是一個常數運算式，
如：#0x3FC、#0、#0xF0000000、#200、#0xF0000001
都是代表著一個常數，

在 sp 暫存器中，代表的是當前堆疊頂指標移動的位置，
如：

sub	sp, sp, #16；// 獲取 sp 中的堆疊頂指標移動 16位的位置，并把位置更新到 sp 暫存器中，實作開辟空間

在通用暫存器 W0 - W11 中，代表的操作的常數值，

mov	w8, #2，// 把常數 2 添加到 w8 暫存器中

通用暫存器

以下介紹下比較常見的通用暫存器：

其中W0~W3 用于函式呼叫入參，其中，W0 還用于程式的回傳值.
W4~W11用于保存區域變數，
W13為SP，時刻指向堆疊頂，當有資料入堆疊或出堆疊時，需要更新SP
W14為鏈接暫存器，主要是用作保存子程式回傳的地址，
W15為PC暫存器，指向將要執行的下一條指令地址，

常見指令

mov

資料傳送指令，將立即數或暫存器(operant2)傳送到目標暫存器Rd，可用于移位運算等操作，指令格式如下：

MOV{cond}{S} Rd,operand2

如:

mov w8, #1，就是往 w8 暫存器中寫入 #1.

mov w8, w9，就是把 w9 暫存器的資料發送到 w8 暫存器中，最終 w8 和 w9 暫存器的資料一致，如下圖：

file

ldr

ldr 從記憶體中讀取資料放入暫存器中

LDR{cond}{T} Rd,<地址>;加載指定地址上的資料(字)，放入Rd中

如：

ldr w8, [sp, #8] 讀取 sp 暫存器中 #8 位置的資料存入 w8 暫存器中，改變的只有 w8 ，sp 暫存器不變

str

str 指令用于將暫存器中的資料保存到記憶體

STR{cond}{T} Rd,<地址>;存盤資料(字)到指定地址的存盤單元，要存盤的資料在Rd中

如：
str w8, [sp] ，將 w8 暫存器的資料存入 sp 暫存器中

add

加法運算指令，將operand2 資料與Rn 的值相加，結果保存到Rd 暫存器，指令格式如下：

ADD{cond}{S} Rd,Rn,operand2

以 add w8, w8, w9 為例，就是把 w8、w9 暫存器的 x,y 資料進行相加，并存入 w8 暫存器中

如下圖：

file

sub

減法運算指令，用暫存器 Rn 減去operand2，結果保存到 Rd 中，指令格式如下：

SUB{cond}{S} Rd,Rn,operand2

如：

sub R0,R0,#1 -- R0=R0-1

執行程序

了解了以上的知識，我們再來分析一遍代碼的執行程序，

在 C 程式中，CPU 會首先執行呼叫 main 函式，在呼叫 main 函式時，生成一塊記憶體空間，用來存放 main 函式執行程序中的資料，

sub	sp, sp, #16

將 0 寫入到 #12 的位元組位置上，

str	wzr, [sp, #12]

接下來給 x 附值

mov	w8, #1
str	w8, [sp, #8]

第一行指令是把 1 添加進暫存器中，第二行指令是把 1 存入 #8 地址的記憶體空間中，

接著給 y 附值

mov	w8, #2
str	w8, [sp, #4]

第一行指令是把 2 添加進暫存器中，第二行指令是把 2 存入 #4 地址的記憶體空間中，

執行完 x， y 的生成，接下來執行 z = x + y

ldr	w8, [sp, #8]
ldr	w9, [sp, #4]
add	w8, w8, w9

第一行指令取出記憶體空間地址為 #8 的資料，也就是 1. 第二行指令去除記憶體空間地址為 #4 的資料，也就是 2，第三行指令則對取出的資料進行相加操作，并將結果 3 存入暫存器中，

str	w8, [sp]
ldr	w0, [sp]

第一行指令把暫存器中的最終的資料存入記憶體中，第二行指令則獲取記憶體中的結果，存入暫存器中，等待回傳

add	sp, sp, #16

把開辟的空間進行清理，

ret

回傳結果

總結

本文主要講解了 CPU 的執行程序，順便了解了一下基礎的計算機硬體資訊，如有想法??歡迎討論！！！

參考

-《圖解 Google V8》- 李兵

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標籤：Html/Css

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