沒錯！cxuan 對匯編下手了

匯編代碼是計算機(jī)的一種低級表示，它是一種低級語言，可以從字面角度去理解它，包括處理數(shù)據(jù)、管理內(nèi)存、讀寫存儲設(shè)備上的數(shù)據(jù)，以及利用網(wǎng)絡(luò)通信等。編譯器生成機(jī)器碼經(jīng)過了一系列的轉(zhuǎn)換，這些轉(zhuǎn)換遵循編程語言、目標(biāo)機(jī)器的指令集 和操作系統(tǒng)。

指令集

指令集就是指揮計算機(jī)工作的指令，因為程序就是按照一定執(zhí)行順序排列的指令。因為計算機(jī)的執(zhí)行控制權(quán)由 CPU 操作，所以指令集就是 CPU 中用來計算和控制計算機(jī)的一系列指令的集合。每個 CPU 在產(chǎn)出時都規(guī)定了與硬件電路相互配合工作的指令集。

指令集有不少分類，但是一般分為兩種，一種是精簡指令集，一種是復(fù)雜指令集。具體描述如下

精簡指令集

精簡指令的英文是 reduced instruction set computer， RISC，原意是精簡指令集計算，簡稱為精簡指令集，是 CPU 的一種 設(shè)計模式，可以把 CPU 想象成一家流水線工廠，對指令數(shù)目和尋址方式都做了精簡，使其實現(xiàn)更容易，指令并行執(zhí)行程度更好，編譯器的效率更高。

常見的精簡指令集處理器包括 ARM、AVR、MIPS、PARISC、RISC-V 和 SPARC。

所以你就能理解

這本書是講啥的了。

它主要是基于 MIPS 體系結(jié)構(gòu)把馮諾依曼體系的五大組件進(jìn)行了逐一的硬件實現(xiàn) + 軟件設(shè)計介紹，更為重要的是引入了諸多并行計算的內(nèi)容，這是大部分教材中忽略或者內(nèi)容較少的，會根據(jù)這個思路把并行相關(guān)的內(nèi)容，結(jié)合 OpenMP, CUDA 和 Hadoop/Spark 整體融入到新書中，畢竟這是未來發(fā)展的趨勢

還有這本書

這本書又是講啥的。

這本書是講 RISC-V 指令集的，因為指令集的不同也區(qū)分了三個版本，三個版本？？？嗯，還有下面這個

這本書是講 ARM 指令集的。

所以一般在看 CASPP 的時候并發(fā)的看看這本書是非常不錯的選擇。

精簡指令集一般具有如下特征

• 統(tǒng)一的指令編碼
• 通用的寄存器，一般會區(qū)分整數(shù)和浮點數(shù)
• 簡單的尋址模式，復(fù)雜尋址模式被簡單指令序列來取代
• 支持很少偏門的類型，例如 RISC 支持字節(jié)字符串類型。

復(fù)雜指令集

復(fù)雜指令集的英文是 Complex Instruction Set Computing, CISC，是一種微處理器指令集架構(gòu)，也被譯為復(fù)雜指令集。

復(fù)雜指令集包括 System/360、VAX、x86 等。

復(fù)雜指令集可以說是在精簡指令集之上作出的改變。

復(fù)雜指令集的特點是指令數(shù)目多而復(fù)雜，每條指令字長并不相等，計算機(jī)必須加以判讀，并為此付出了性能的代價。

一般來說，提升 CPU 性能的方法有如下這幾種

• 增加寄存器的大小
• 增進(jìn)內(nèi)部的并行性
• 增加高速緩存的大小
• 增加核心時脈的速度
• 加入其他功能，例如 IO 和計時器
• 加入向量處理器
• 硬件多線程技術(shù)

比較抽象，我們后面會組織成文章具體介紹一下。

C 編譯器會接收其他操作并把其轉(zhuǎn)換為匯編語言輸出，匯編語言是機(jī)器級別的代碼表示。我們之前介紹過，C 語言程序的執(zhí)行過程分為下面這幾步

下面我們更多的討論都是基于匯編代碼來討論。

我們?nèi)粘Ｋ佑|的高級語言，都是經(jīng)過了層層封裝的結(jié)果，所以我們平常是接觸不到匯編語言的，更不會用匯編語言來進(jìn)行編程，這就和你不知道操作系統(tǒng)的存在一樣，但其實你每個操作，甚至你雙擊一個圖標(biāo)都和操作系統(tǒng)有關(guān)系。

高級語言的抽象級別很高，但是經(jīng)過了層層抽象之后，高級語言的執(zhí)行效率肯定沒有匯編語言高，也沒有匯編語言可靠。

但是高級語言有更大的優(yōu)點是其編譯后能夠在不同的機(jī)器上運行，匯編語言針對不同的指令集有不同的表示。并且高級語言學(xué)習(xí)來更加通俗易懂，降低計算機(jī)門檻，讓內(nèi)卷更加嚴(yán)重（當(dāng)然這是開個玩笑，冒犯到請別當(dāng)真）。

話不多說，了解底層必須了解匯編語言。否則一個 synchronized 底層實現(xiàn)就能夠讓你頭疼不已。而且，天天飄著也不好，遲早要落地。

了解匯編代碼也有助于我們優(yōu)化程序代碼，分析代碼中隱含的低效率，并且這種優(yōu)化方法一旦優(yōu)化成功，將是量級的提高，而不是改改 if...else ，使用一個新特性所能比的。

機(jī)器級代碼

計算機(jī)系統(tǒng)使用了多種不同形式的抽象，可以通過一個簡單的抽象模型來隱藏實現(xiàn)細(xì)節(jié)。對于機(jī)器級別的程序來說，有兩點非常重要。

首先第一點，定義機(jī)器級別程序的格式和行為被稱為 指令集體系結(jié)構(gòu)或指令集架構(gòu)(instruction set architecture)， ISA。ISA 定義了進(jìn)程狀態(tài)、指令的格式和每一個指令對狀態(tài)的影響。大部分的指令集架構(gòu)包括 ISA 用來描述進(jìn)程的行為就好像是順序執(zhí)行的，一條指令執(zhí)行結(jié)束后，另外一條指令再開始。處理器硬件的描述要更復(fù)雜，它可以同時并行執(zhí)行許多指令，但是它采用了安全措施來確保整體行為與 ISA 規(guī)定的順序一致。

第二點，機(jī)器級別對內(nèi)存地址的描述就是 虛擬地址(virtual address)，它提供了一個內(nèi)存模型來表示一個巨大的字節(jié)數(shù)組。

編譯器在整個編譯的過程中起到了至關(guān)重要的作用，把 C 語言轉(zhuǎn)換為處理器執(zhí)行的基本指令。匯編代碼非常接近于機(jī)器代碼，只不過與二進(jìn)制機(jī)器代碼相比，匯編代碼的可讀性更強(qiáng)，所以理解匯編是理解機(jī)器工作的第一步。

一些進(jìn)程狀態(tài)對機(jī)器可見，但是 C 語言程序員卻看不到這些，包括

• 程序計數(shù)器(Program counter)，它存儲下一條指令的地址，在 x86-64 架構(gòu)中用 %rip 來表示。

程序執(zhí)行時，PC 的初始值為程序第一條指令的地址，在順序執(zhí)行程序時， CPU 首先按程序計數(shù)器所指出的指令地址從內(nèi)存中取出一條指令，然后分析和執(zhí)行該指令，同時將 PC 的值加 1 并指向下一條要執(zhí)行的指令。

比如下面一個例子。

這是一段數(shù)值進(jìn)行相加的操作，程序啟動，在經(jīng)過編譯解析后會由操作系統(tǒng)把硬盤中的程序復(fù)制到內(nèi)存中，示例中的程序是將 123 和 456 執(zhí)行相加操作，并將結(jié)果輸出到顯示器上。由于使用機(jī)器語言難以描述，所以這是經(jīng)過翻譯后的結(jié)果，實際上每個指令和數(shù)據(jù)都可能分布在不同的地址上，但為了方便說明，把組成一條指令的內(nèi)存和數(shù)據(jù)放在了一個內(nèi)存地址上。

• 整數(shù)寄存器文件(register file)包含 16 個命名的位置，用來存儲 64 位的值。這些寄存器可以存儲地址和整型數(shù)據(jù)。有些寄存器用于跟蹤程序狀態(tài)，而另一些寄存器用于保存臨時數(shù)據(jù)，例如過程的參數(shù)和局部變量，以及函數(shù)要返回的值。這個 文件 是和磁盤文件無關(guān)的，它只是 CPU 內(nèi)部的一塊高速存儲單元。有專用的寄存器，也有通用的寄存器用來存儲操作數(shù)。
• 條件碼寄存器 用來保存有關(guān)最近執(zhí)行的算術(shù)或邏輯指令的狀態(tài)信息。這些用于實現(xiàn)控件或數(shù)據(jù)流中的條件更改，例如實現(xiàn) if 和 while 語句所需的條件更改。我們都學(xué)過高級語言，高級語言中的條件控制流程主要分為三種：順序執(zhí)行、條件分支、循環(huán)判斷三種，順序執(zhí)行是按照地址的內(nèi)容順序的執(zhí)行指令。條件分支是根據(jù)條件執(zhí)行任意地址的指令。循環(huán)是重復(fù)執(zhí)行同一地址的指令。
• 順序執(zhí)行的情況比較簡單，每執(zhí)行一條指令程序計數(shù)器的值就是 + 1。
• 條件和循環(huán)分支會使程序計數(shù)器的值指向任意的地址，這樣一來，程序便可以返回到上一個地址來重復(fù)執(zhí)行同一個指令，或者跳轉(zhuǎn)到任意指令。

下面以條件分支為例來說明程序的執(zhí)行過程（循環(huán)也很相似）

程序的開始過程和順序流程是一樣的，CPU 從 0100 處開始執(zhí)行命令，在 0100 和 0101 都是順序執(zhí)行，PC 的值順序+1，執(zhí)行到 0102 地址的指令時，判斷 0106 寄存器的數(shù)值大于 0，跳轉(zhuǎn)（jump）到 0104 地址的指令，將數(shù)值輸出到顯示器中，然后結(jié)束程序，0103 的指令被跳過了，這就和我們程序中的 if() 判斷是一樣的，在不滿足條件的情況下，指令會直接跳過。所以 PC 的執(zhí)行過程也就沒有直接+1，而是下一條指令的地址。

• 一組 向量寄存器用來存儲一個或者多個整數(shù)或者浮點數(shù)值，向量寄存器是對一維數(shù)據(jù)上進(jìn)行操作。

機(jī)器指令只會執(zhí)行非常簡單的操作，例如將存放在寄存器的兩個數(shù)進(jìn)行相加，把數(shù)據(jù)從內(nèi)存轉(zhuǎn)移到寄存器中或者是條件分支轉(zhuǎn)移到新的指令地址。編譯器必須生成此類指令的序列，以實現(xiàn)程序構(gòu)造，例如算術(shù)表達(dá)式求值，循環(huán)或過程調(diào)用和返回

認(rèn)識匯編

我相信各位應(yīng)該都知道匯編語言的出現(xiàn)背景吧，那就是二進(jìn)制表示數(shù)據(jù)，太復(fù)雜太龐大了，為了解決這個問題，出現(xiàn)了匯編語言，匯編語言和機(jī)器指令的區(qū)別就在于表示方法上，匯編使用操作數(shù)來表示，機(jī)器指令使用二進(jìn)制來表示，我之前多次提到機(jī)器碼就是匯編，你也不能說我錯，但是不準(zhǔn)確。

但是匯編適合二進(jìn)制代碼存在轉(zhuǎn)換關(guān)系的。

匯編代碼需要經(jīng)過 匯編器 編譯后才產(chǎn)生二進(jìn)制代碼，這個二進(jìn)制代碼就是目標(biāo)代碼，然后由鏈接器將其連接起來運行。

匯編語言主要分為以下三類

• 匯編指令：它是一種機(jī)器碼的助記符，它有對應(yīng)的機(jī)器碼
• 偽指令：沒有對應(yīng)的機(jī)器碼，由編譯器執(zhí)行，計算機(jī)并不執(zhí)行
• 其他符號，比如 +、-、*、/ 等，由編譯器識別，沒有對應(yīng)的機(jī)器碼

匯編語言的核心是匯編指令，而我們對匯編的探討也是基于匯編指令展開的。

與匯編有關(guān)的硬件和概念

CPU

CPU 是計算機(jī)的大腦，它也是整個計算機(jī)的核心，它也是執(zhí)行匯編語言的硬件，CPU 的內(nèi)部包含有寄存器，而寄存器是用于存儲指令和數(shù)據(jù)的，匯編語言的本質(zhì)也就是 CPU 內(nèi)部操作數(shù)所執(zhí)行的一系列計算。

內(nèi)存

沒有內(nèi)存，計算機(jī)就像是一個沒有記憶的人類，只會永無休止的重復(fù)性勞動。CPU 所需的指令和數(shù)據(jù)都由內(nèi)存來提供，CPU 指令經(jīng)由內(nèi)存提供，經(jīng)過一系列計算后再輸出到內(nèi)存。

磁盤

磁盤也是一種存儲設(shè)備，它和內(nèi)存的最大區(qū)別在于永久存儲，程序需要在內(nèi)存裝載后才能運行，而提供給內(nèi)存的程序都是由磁盤存儲的。

總線

一般來說，內(nèi)存內(nèi)部會劃分多個存儲單元，存儲單元用來存儲指令和數(shù)據(jù)，就像是房子一樣，存儲單元就是房子的門牌號。而 CPU 與內(nèi)存之間的交互是通過地址總線來進(jìn)行的，總線從邏輯上分為三種

• 地址線
• 數(shù)據(jù)線
• 控制線

• CPU 與存儲器之間的讀寫主要經(jīng)過以下幾步

讀操作步驟

• CPU 通過地址線發(fā)出需要讀取指令的位置
• CPU 通過控制線發(fā)出讀指令
• 內(nèi)存把數(shù)據(jù)放在數(shù)據(jù)線上返回給 CPU

寫操作步驟

• CPU 通過地址線發(fā)出需要寫出指令的位置
• CPU 通過控制線發(fā)出寫指令
• CPU 把數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線寫入內(nèi)存

下面我們就來具體了解一下這三類總線

地址總線

通過我們上面的探討，我們知道 CPU 通過地址總線來指定存儲位置的，地址總線上能傳送多少不同的信息，CPU 就可以對多少個存儲單元進(jìn)行尋址。

上圖中 CPU 和內(nèi)存中間信息交換通過了 10 條地址總線，每一條線能夠傳遞的數(shù)據(jù)都是 0 或 1 ，所以上圖一次 CPU 和內(nèi)存?zhèn)鬟f的數(shù)據(jù)是 2 的十次方。

所以，如果 CPU 有 N 條地址總線，那么可以說這個地址總線的寬度是 N 。這樣 CPU 可以尋找 2 的 N 次方個內(nèi)存單元。

數(shù)據(jù)總線

CPU 與內(nèi)存或其他部件之間的數(shù)據(jù)傳送是由數(shù)據(jù)總線來完成的。數(shù)據(jù)總線的寬度決定了 CPU 和外界的數(shù)據(jù)傳輸速度。8 根數(shù)據(jù)總線可以一次傳送一個 8 位二進(jìn)制數(shù)據(jù)（即一個字節(jié)）。16 根數(shù)據(jù)總線一次可以傳輸兩個字節(jié)，32 根數(shù)據(jù)總線可以一次傳輸四個字節(jié)。。。。。。

控制總線

CPU 與其他部件之間的控制是通過 控制總線 來完成的。有多少根控制總線，就意味著 CPU 提供了對外部器件的多少種控制。所以，控制總線的寬度決定了 CPU 對外部部件的控制能力。

一次內(nèi)存的讀取過程

內(nèi)存結(jié)構(gòu)

內(nèi)存 IC 是一個完整的結(jié)構(gòu)，它內(nèi)部也有電源、地址信號、數(shù)據(jù)信號、控制信號和用于尋址的 IC 引腳來進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫。下面是一個虛擬的 IC 引腳示意圖

圖中 VCC 和 GND 表示電源，A0 - A9 是地址信號的引腳，D0 - D7 表示的是控制信號、RD 和 WR 都是好控制信號，我用不同的顏色進(jìn)行了區(qū)分，將電源連接到 VCC 和 GND 后，就可以對其他引腳傳遞 0 和 1 的信號，大多數(shù)情況下，+5V 表示1，0V 表示 0。

我們都知道內(nèi)存是用來存儲數(shù)據(jù)，那么這個內(nèi)存 IC 中能存儲多少數(shù)據(jù)呢？D0 - D7 表示的是數(shù)據(jù)信號，也就是說，一次可以輸入輸出 8 bit = 1 byte 的數(shù)據(jù)。A0 - A9 是地址信號共十個，表示可以指定 00000 00000 - 11111 11111 共 2 的 10次方 = 1024個地址。每個地址都會存放 1 byte 的數(shù)據(jù)，因此我們可以得出內(nèi)存 IC 的容量就是 1 KB。

如果我們使用的是 512 MB 的內(nèi)存，這就相當(dāng)于是 512000（512 * 1000） 個內(nèi)存 IC。當(dāng)然，一臺計算機(jī)不太可能有這么多個內(nèi)存 IC ，然而，通常情況下，一個內(nèi)存 IC 會有更多的引腳，也就能存儲更多數(shù)據(jù)。

內(nèi)存讀取過程

下面是一次內(nèi)存的讀取過程。

來詳細(xì)描述一下這個過程，假設(shè)我們要向內(nèi)存 IC 中寫入 1byte 的數(shù)據(jù)的話，它的過程是這樣的：

• 首先給 VCC 接通 +5V 的電源，給 GND 接通 0V 的電源，使用 A0 - A9 來指定數(shù)據(jù)的存儲場所，然后再把數(shù)據(jù)的值輸入給 D0 - D7 的數(shù)據(jù)信號，并把 WR（write）的值置為 1，執(zhí)行完這些操作后，即可以向內(nèi)存 IC 寫入數(shù)據(jù)
• 讀出數(shù)據(jù)時，只需要通過 A0 - A9 的地址信號指定數(shù)據(jù)的存儲場所，然后再將 RD 的值置為 1 即可。
• 圖中的 RD 和 WR 又被稱為控制信號。其中當(dāng)WR 和 RD 都為 0 時，無法進(jìn)行寫入和讀取操作。

總結(jié)

此篇文章我們主要探討了指令集、指令集的分類，與匯編有關(guān)的硬件，總線都有哪些，分別的作用都是什么，然后我們以一次內(nèi)存讀取過程來連接一下 CPU 和內(nèi)存的交互過程。

原創(chuàng)不易，如有幫助還請各位讀者四連（點在、在看、分享、留言），感謝各位大佬