笔记：深入理解计算机系统（四）

计算机基础补完计划 - 自学计算机科学相关课程。此部分为深入理解计算机系统及相关视频课程的学习笔记。此部分主要讲指令集和体系架构。

1. Overview

以C语言在x86架构的机器上编码为例，程序的执行速度主要受到代码算法、编译器从源代码向汇编代码的转换、指令集架构（ISA，Instruction Set Architecture，处理器提供给编译器的指令集合）、硬件本身四个层次的影响。

指令集架构定义了三方面的重要内容：

1. 系统状态（例如寄存器、内存、编程计数器等；
   • CPU包含多少寄存器，长度是多少字节；
   • 如何指明内存地址（段地址：偏移地址）；
2. CPU可以执行的指令；
   • 包含哪些指令，对应哪些功能，如何被编码（如 add -> 10101;
   • 复杂指令集CISC（Complex instruction set computer）。精简指令集RISC
3. 每条指令对系统状态的影响。

几个标志性的架构：

2. Definitons

Architecture(also instruction set architecture, ISA)， is the part of a processor design that one needs to understand to write assembly code.

**架构（指令集架构）**是为编写汇编代码而所需了解的处理器设计结构。（软硬件之间的接口定义）。

“What is directly visible to software.”

Microarchitecture: Implementation of the architecture.

微体系结构指的是架构的实现。

这里的指令集架构和微体系结构的管理类似于Linux内核设计中体现的策略与机制分离的思想，指令集架构定义接口（对软件可见），而微体系结构负责实现结构（对软件不可见）。

程序可见的状态（Programmer-Visible State）包括三种数据：

1. PC，Program counter，程序计数器，指向下一条指令的地址，被称为EIP（IA32）或RIP（x86-64）；
2. 寄存器文件（Register file），存放高频使用的程序数据；
3. 条件代码（Conditional codes），存放最近的数学操作的状态信息，用于条件分支的选择。

内存则是以字节为单位寻址的数组（Byte addressable array），存放代码、数据和部分系统数据，包括支撑程序的栈。

从C代码到对象代码（Object code）再到机器码

如gcc等C语言编译过程，会将C代码转换为汇编代码，然后转换为Object Code（目标机器的机器码），链接必要的库后生成可执行文件。

汇编代码中主要有三种类型的指令：

1. 在寄存器或者内存数据上及逆行数学操作；
2. 在内存和寄存器之间传输数据（读、写）；
3. 跳转控制（Transfer control），包括非条件跳转和条件跳转。

而汇编代码中的数据类型也只有两种：

1. 整数，可以被视为数据值，也可以被视为地址。
2. 浮点数 ；

在汇编代码层级，没有集合类型，只有在内存中连续分配的字节。

为了便于查看，可以将机器码反汇编为汇编代码，如Linux下的objdump工具：

objdump -d [target]

寄存器是CPU中存储少量数据的位置，CPU可以迅速从这里获得数据（一个时钟周期）；同时寄存器也是汇编语言的核心，它们是所有架构的宝贵核心，尤其是x86。

IA32中有8个寄存器：

x86-64架构下的寄存器与上表类似，但是为%rax、%rbx等等，可用eax指向其中的后32位，同样可以用ax，ah等分别访问其中2字节和1字节的部分。同时x86-64架构下提供了r8-r15的额外八个寄存器。