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CPU内部的奥秘:代码是如何被执行的?
来源:cnblogs  作者:袋鼠云数栈前端  时间:2023/3/31 8:58:46  对本文有异议

我们是袋鼠云数栈 UED 团队,致力于打造优秀的一站式数据中台产品。我们始终保持工匠精神,探索前端道路,为社区积累并传播经验价值。

本文作者:景明

我们以一段 C 代码为例,来看一下代码被编译成二进制可执行程序之后,是如何被 CPU 执行的。

在这段代码中,只是做了非常简单的加法操作,将 x 和 y 两个数字相加得到 z,并返回结果 z。

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

我们知道,CPU 并不能直接执行这段 C 代码,而是需要对其进行编译,将其转换为二进制的机器码,然后 CPU 才能按照顺序执行编译后的机器码。

先通过 GCC 编译器将这段 C 代码编译成二进制文件,输入以下命令让其编译成目的文件:

gcc -O0 -o code_prog code.c

输入上面的命令之后回车,在文件夹中生成名为 code_prog 的可执行程序,接下来再将编译出来的 code_prog 程序进行反汇编,这样就可以看到二进制代码和对应的汇编代码。可以使用 objdump 的完成该任务,命令如下所示:

objdump -d code_prog

最后编译出来的机器码如下:

0000000100003f84 <_main>:
100003f84: ff 43 00 d1  	  sub	sp, sp, #16            // 开辟栈空间。即开辟了四个 4 字节空间
100003f88: ff 0f 00 b9  	  str	wzr, [sp, #12]         // 将 wzr 寄存器的数据存储到 sp 寄存器的 #12 地址上,设为0
100003f8c: 28 00 80 52  	  mov	w8, #1                 // 创建一个 x = 1,并将 1 存入 w8 寄存器中
100003f90: e8 0b 00 b9  	  str	w8, [sp, #8]           // 将 w8 寄存器的数据存入 sp 寄存器中 #8 的地址中,也就是将 x = 1 存入
100003f94: 48 00 80 52  	  mov	w8, #2                 // 创建一个 y = 2,并将 2 存入 w8 寄存器中
100003f98: e8 07 00 b9  	  str	w8, [sp, #4]           // 将 w8 寄存器的数据存入 sp 寄存器中 #4 的地址中,也就是将 y = 2 存入
100003f9c: e8 0b 40 b9  	  ldr	w8, [sp, #8]           // 读取 sp 寄存器中 #8 的数据存入 w8 寄存器中,也就是获取 x = 1
100003fa0: e9 07 40 b9  	  ldr	w9, [sp, #4]           // 读取 sp 寄存器中 #4 的数据存入 w9 寄存器中,也就是获取 y = 2
100003fa4: 08 01 09 0b  	  add	w8, w8, w9             // 将 w8、w9 寄存器的 x,y 数据进行相加,并存入 w8 寄存器中,也就是 z = 3
100003fa8: e8 03 00 b9  	  str	w8, [sp]               // 将 w8 寄存器的数据存入 sp 寄存器中
100003fac: e0 03 40 b9  	  ldr	w0, [sp]               // 读取 sp 寄存器中的数据存到 w0 寄存器中。z = 3
100003fb0: ff 43 00 91  	  add	sp, sp, #16            // 清空开辟的栈空间
100003fb4: c0 03 5f d6  	  ret                        // 返回结果

PS: wzr 为 32 的零寄存器,专门用来清零,也就是 sp 上 #12 指向的数据设置为 0

观察上方,左边就是编译生成的机器码,在这里它是使用十六进制来展示的,这主要是因为十六进制比较容易阅读,所以通常使用十六进制来展示二进制代码。

可以观察到上图是由很多行组成的,每一行都是一个指令,该指令可以让 CPU 执行指定的任务。

中间的部分是汇编代码,例如原本是二进制表示的指令,在汇编代码中可以使用单词来表示,比如 mov、add 就分别表示数据的存储和相加。

通常将汇编语言编写的程序转换为机器语言的过程称为“汇编”;反之,机器语言转化为汇编语言的过程称为“反汇编”,比如上图就是对 code_prog 进程进行了反汇编操作。

右边添加的注释,表示每条指令的具体含义。

这一大堆指令按照顺序集合在一起就组成了程序,所以程序的执行,本质上就是 CPU 按照顺序执行这一大堆指令的过程。

CPU 是怎么执行程序的?

为了更好的分析程序的执行过程,我们还需要了解一下基础的计算机硬件信息,具体如下图:

file

这张图是比较通用的系统硬件组织模型图,它主要是由 CPU、主存储器、各种 IO 总线,还有一些外部设备组成的。

首先,在一个程序执行之前,程序需要被装进内存,比如在 macOS 下面,你可以通过鼠标点击一个可执行文件,当你点击该文件的时候,系统中的程序加载器会将该文件加载到内存中。

CPU 可以通过指定内存地址,从内存中读取数据,或者往内存中写入数据,有了内存地址,CPU 和内存就可以有序地交互。

内存中的每个存储空间都有其对应的独一无二的地址:

file

在内存中,每个存放字节的空间都有其唯一的地址,而且地址是按照顺序排放的。

以开头代码为例,这段代码会被编译成可执行文件,可执行文件中包含了二进制的机器码,当二进制代码被加载进了内存后,那么内存中的每条二进制代码便都有了自己对应的地址,如下图所示:

file

一旦二进制代码被装载进内存,CPU 便可以从内存中取出一条指令,然后分析该指令,最后执行该指令。

把取出指令、分析指令、执行指令这三个过程称为一个 CPU 时钟周期。CPU 是永不停歇的,当它执行完成一条指令之后,会立即从内存中取出下一条指令,接着分析该指令,执行该指令,CPU 一直重复执行该过程,直至所有的指令执行完成。

CPU 是怎么知道要取出内存中的哪条指令呢?:

file

从上图可以看到 CPU 中有一个 PC 寄存器,它保存了将要执行的指令地址,当二进制代码被装载进了内存之后,系统会将二进制代码中的第一条指令的地址写入到 PC 寄存器中,到了下一个时钟周期时,CPU 便会根据 PC 寄存器中的地址,从内存中取出指令。

PC 寄存器中的指令取出来之后,系统要做两件事:第一件是将下一条指令的地址更新到 PC 寄存器中,如下图所示:

file

更新了 PC 寄存器之后,CPU 就会立即做第二件事,那就是分析该指令,并识别出不同的类型的指令,以及各种获取操作数的方法。

在指令分析完成之后,就要执行指令了。

在执行指令前,我们还需要认识一下 CPU 中的重要部件:寄存器。

寄存器

寄存器是 CPU 中用来存放数据的设备,不同处理器中寄存器的个数也是不一样的,之所要寄存器,是因为 CPU 访问内存的速度很慢,所以 CPU 就在内部添加了一些存储设备,这些设备就是寄存器。

他们的读取速度如下:

file

总结来说,寄存器容量小,读写速度快,内存容量大,读写速度慢。

寄存器通常用来存放数据或者内存中某块数据的地址,我们把这个地址又称为指针,通常情况下寄存器对存放的数据是没有特别的限制的,比如某个通用寄存器既可以存储数据,也可以存储指针。

不过由于历史原因,我们还会将某些专用的数据或者指针存储在专用的通用寄存器中 ,比如 rbp 寄存器通常用来存放栈帧指针的,rsp 寄存器用来存放栈顶指针的,PC 寄存器用来存放下一条要执行的指令等。

特殊寄存器

Stack Pointer register(SP)

The use of SP as an operand in an instruction, indicates the use of the current stack pointer.
指向当前栈指针。堆栈指针总是指向栈顶位置。一般堆栈的栈底不能动,所以数据入栈前要先修改堆栈指针,使它指向新的空余空间然后再把数据存进去,出栈的时候相反。

堆栈指针,随时跟踪栈顶地址,按"先进后出"的原则存取数据。

连接寄存器,一是用来保存子程序返回地址;二是当异常发生时,LR中保存的值等于异常发生时PC的值减4(或者减2),因此在各种异常模式下可以根据LR的值返回到异常发生前的相应位置继续执行。

Program Counter(PC)

A 64-bit Program Counter holding the address of the current instruction.
保存了将要执行的指令地址

Word Zero Register(WZR)

零寄存器,用于给int清零

tips

不同指令中寄存器后 #d 有什么区别?
[#d]在ARM代表的是一个常数表达式。
如:#0x3FC、#0、#0xF0000000、#200、#0xF0000001
都是代表着一个常数。

在 sp 寄存器中,代表的是当前栈顶指针移动的位置。
如:

sub	sp, sp, #16;// 获取 sp 中的栈顶指针移动 16位的位置,并把位置更新到 sp 寄存器中。实现开辟空间

在通用寄存器 W0 - W11 中,代表的操作的常数值。

mov	w8, #2,// 把常数 2 添加到 w8 寄存器中

通用寄存器

以下介绍下比较常见的通用寄存器:

  • 其中W0~W3 用于函数调用入参,其中,W0 还用于程序的返回值.
  • W4~W11用于保存局部变量。
  • W13为SP,时刻指向栈顶,当有数据入栈或出栈时,需要更新SP
  • W14为链接寄存器,主要是用作保存子程序返回的地址。
  • W15为PC寄存器,指向将要执行的下一条指令地址。

常见指令

mov

数据传送指令。将立即数或寄存器(operant2)传送到目标寄存器Rd,可用于移位运算等操作。指令格式如下:

MOV{cond}{S} Rd,operand2

如:

mov w8, #1,就是往 w8 寄存器中写入 #1.

mov w8, w9, 就是把 w9 寄存器的数据发送到 w8 寄存器中,最终 w8 和 w9 寄存器的数据一致。如下图:

file

ldr

ldr 从内存中读取数据放入寄存器中

LDR{cond}{T} Rd,<地址>;加载指定地址上的数据(字),放入Rd中

如:

ldr w8, [sp, #8] 读取 sp 寄存器中 #8 位置的数据存入 w8 寄存器中,改变的只有 w8 ,sp 寄存器不变

str

str 指令用于将寄存器中的数据保存到内存

STR{cond}{T} Rd,<地址>;存储数据(字)到指定地址的存储单元,要存储的数据在Rd中

如:
str w8, [sp] , 将 w8 寄存器的数据存入 sp 寄存器中

add

加法运算指令。将operand2 数据与Rn 的值相加,结果保存到Rd 寄存器。指令格式如下:

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

add w8, w8, w9 为例,就是把 w8、w9 寄存器的 x,y 数据进行相加,并存入 w8 寄存器中

如下图:

file

sub

减法运算指令。用寄存器 Rn 减去operand2。结果保存到 Rd 中。指令格式如下:

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

如:

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

执行过程

了解了以上的知识,我们再来分析一遍代码的执行过程。

在 C 程序中,CPU 会首先执行调用 main 函数,在调用 main 函数时,生成一块内存空间,用来存放 main 函数执行过程中的数据。

sub	sp, sp, #16

将 0 写入到 #12 的字节位置上。

str	wzr, [sp, #12]

接下来给 x 附值

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

第一行指令是把 1 添加进寄存器中。第二行指令是把 1 存入 #8 地址的内存空间中。

接着给 y 附值

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

第一行指令是把 2 添加进寄存器中。第二行指令是把 2 存入 #4 地址的内存空间中。

执行完 x, y 的生成,接下来执行 z = x + y

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

第一行指令取出内存空间地址为 #8 的数据,也就是 1. 第二行指令去除内存空间地址为 #4 的数据,也就是 2,第三行指令则对取出的数据进行相加操作,并将结果 3 存入寄存器中。

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

第一行指令把寄存器中的最终的数据存入内存中,第二行指令则获取内存中的结果,存入寄存器中。等待返回

add	sp, sp, #16

把开辟的空间进行清理。

ret

返回结果

总结

本文主要讲解了 CPU 的执行过程,顺便了解了一下基础的计算机硬件信息,如有想法??欢迎讨论!!!

参考

-《图解 Google V8》-  李兵

原文链接:https://www.cnblogs.com/dtux/p/17274032.html

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