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计算机指令、机器码

2024-01-11 大全 229 作者:考证青年

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背景

在软硬件接口中,CPU 帮我们做了什么事?

从编译到汇编,代码怎么变成机器码?

解析指令和机器码

总结延伸

背景

上大学的时候,我们系里教 C 语言程序设计的老师说,他们当年学写程序的时候,不像现在这样,都是用一种古老的物理设备,叫作“打孔卡( Card)”。用这种设备写程序,可没法像今天这样,掏出键盘就能打字,而是要先在脑海里或者在纸上写出程序,然后在纸带或者卡片上打洞。这样,要写的程序、要处理的数据,就变成一条条纸带或者一张张卡片,之后再交给当时的计算机去处理。

上世纪 60 年代晚期或 70 年代初期, 拍摄的 计算程序的穿孔卡照片,图片来源

你看这个穿孔纸带是不是有点儿像我们现在考试用的答题卡?那个时候,人们在特定的位置上打洞或者不打洞,来代表“0”或者“1”。

为什么早期的计算机程序要使用打孔卡,而不能像我们现在一样,用 C 或者 这样的高级语言来写呢?原因很简单,因为计算机或者说 CPU 本身,并没有能力理解这些高级语言。即使在 2019 年的今天,我们使用的现代个人计算机,仍然只能处理所谓的“机器码”,也就是一连串的“0”和“1”这样的数字。

那么,我们每天用高级语言的程序,最终是怎么变成一串串“0”和“1”的?这一串串“0”和“1”又是怎么在 CPU 中处理的?今天,我们就来仔细介绍一下,“机器码”和“计算机指令”到底是怎么回事。

在软硬件接口中,CPU 帮我们做了什么事?

我们常说,CPU 就是计算机的大脑。CPU 的全称是 Unit,中文是中央处理器。

我们上一节说了,从硬件的角度来看,CPU 就是一个超大规模集成电路,通过电路实现了加法、乘法乃至各种各样的处理逻辑。

如果我们从软件工程师的角度来讲,CPU 就是一个执行各种计算机指令( Code)的逻辑机器。这里的计算机指令,就好比一门 CPU 能够听得懂的语言,我们也可以把它叫作机器语言( )。

不同的 CPU 能够听懂的语言不太一样。比如,我们的个人电脑用的是 Intel 的 CPU,苹果手机用的是 ARM 的 CPU。这两者能听懂的语言就不太一样。类似这样两种 CPU 各自支持的语言,就是两组不同的计算机指令集,英文叫 Set。这里面的“Set”,其实就是数学上的集合,代表不同的单词、语法。

所以,如果我们在自己电脑上写一个程序,然后把这个程序复制一下,装到自己的手机上,肯定是没办法正常运行的,因为这两者语言不通。而一台电脑上的程序,简单复制一下到另外一台电脑上,通常就能正常运行,因为这两台 CPU 有着相同的指令集,也就是说,它们的语言相通的。

一个计算机程序,不可能只有一条指令,而是由成千上万条指令组成的。但是 CPU 里不能一直放着所有指令,所以计算机程序平时是存储在存储器中的。这种程序指令存储在存储器里面的计算机,我们就叫作存储程序型计算机(- )。

说到这里,你可能要问了,难道还有不是存储程序型的计算机么?其实,在没有现代计算机之前,有着聪明才智的工程师们,早就发明了一种叫 的计算设备。我把它直译成“插线板计算机”。在一个布满了各种插口和插座的板子上,工程师们用不同的电线来连接不同的插口和插座,从而来完成各种计算任务。下面这个图就是一台 IBM 的 ,看起来是不是有一股满满的蒸汽朋克范儿?

一台 IBM 的 ,图片来源

从编译到汇编,代码怎么变成机器码?

了解了计算机指令和计算机指令集,接下来我们来看看,平时编写的代码,到底是怎么变成一条条计算机指令,最后被 CPU 执行的呢?我们拿一小段真实的 C 语言程序来看看。

// test.c
int main()
{int a = 1; int b = 2;a = a + b;
}

这是一段再简单不过的 C 语言程序,即便你不了解 C 语言,应该也可以看懂。我们给两个变量 a、b 分别赋值 1、2,然后再将 a、b 两个变量中的值加在一起,重新赋值给了 a 整个变量。

要让这段程序在一个 Linux 操作系统上跑起来,我们需要把整个程序翻译成一个汇编语言(ASM, )的程序,这个过程我们一般叫编译()成汇编代码。

针对汇编代码,我们可以再用汇编器()翻译成机器码( Code)。这些机器码由“0”和“1”组成的机器语言表示。这一条条机器码,就是一条条的计算机指令。这样一串串的 16 进制数字,就是我们 CPU 能够真正认识的计算机指令。

在一个 Linux 操作系统上,我们可以简单地使用 gcc 和 这样两条命令,把对应的汇编代码和机器码都打印出来。

$ gcc -g -c test.c
$ objdump -d -M intel -S test.o

可以看到,左侧有一堆数字,这些就是一条条机器码;右边有一系列的 push、mov、add、pop 等,这些就是对应的汇编代码。一行 C 语言代码,有时候只对应一条机器码和汇编代码,有时候则是对应两条机器码和汇编代码。汇编代码和机器码之间是一一对应的。

test.o:     file format elf64-x86-64Disassembly of section .text:0000000000000000 
:int main() {0: f3 0f 1e fa endbr64 4: 55 push rbp5: 48 89 e5 mov rbp,rspint a = 1; 8: c7 45 f8 01 00 00 00 mov DWORD PTR [rbp-0x8],0x1int b = 2;f: c7 45 fc 02 00 00 00 mov DWORD PTR [rbp-0x4],0x2a = a + b;16: 8b 45 fc mov eax,DWORD PTR [rbp-0x4]19: 01 45 f8 add DWORD PTR [rbp-0x8],eax1c: b8 00 00 00 00 mov eax,0x021: 5d pop rbp22: c3 ret

这个时候你可能又要问了,我们实际在用 GCC(GUC 编译器套装,GUI )编译器的时候,可以直接把代码编译成机器码呀,为什么还需要汇编代码呢?原因很简单,你看着那一串数字表示的机器码,是不是摸不着头脑?但是即使你没有学过汇编代码,看的时候多少也能“猜”出一些这些代码的含义。

因为汇编代码其实就是“给程序员看的机器码”,也正因为这样,机器码和汇编代码是一一对应的。我们人类很容易记住 add、mov 这些用英文表示的指令,而 8b 45 f8 这样的指令,由于很难一下子看明白是在干什么,所以会非常难以记忆。尽管早年互联网上到处流传,大神程序员着拿小刀在光盘上刻出操作系统的梗,但是要让你用打孔卡来写个程序,估计浪费的卡片比用上的卡片要多得多。

从高级语言到汇编代码,再到机器码,就是一个日常开发程序,最终变成了 CPU 可以执行的计算机指令的过程。

解析指令和机器码

了解了这个过程,下面我们放大局部,来看看这一行行的汇编代码和机器指令,到底是什么意思。

我们就从平时用的电脑、手机这些设备来说起。这些设备的 CPU 到底有哪些指令呢?这个还真有不少,我们日常用的 Intel CPU,有 2000 条左右的 CPU 指令,实在是太多了,所以我没法一一来给你讲解。不过一般来说,常见的指令可以分成五大类。

第一类是算术类指令。我们的加减乘除,在 CPU 层面,都会变成一条条算术类指令。

第二类是数据传输类指令。给变量赋值、在内存里读写数据,用的都是数据传输类指令。

第三类是逻辑类指令。逻辑上的与或非,都是这一类指令。

第四类是条件分支类指令。日常我们写的“if/else”,其实都是条件分支类指令。

最后一类是无条件跳转指令。写一些大一点的程序,我们常常需要写一些函数或者方法。在调用函数的时候,其实就是发起了一个无条件跳转指令。

你可能一下子记不住,或者对这些指令的含义还不能一下子掌握,这里我画了一个表格,给你举例子说明一下,帮你理解、记忆。

下面我们来看看,汇编器是怎么把对应的汇编代码,翻译成为机器码的。

我们说过,不同的 CPU 有不同的指令集,也就对应着不同的汇编语言和不同的机器码。为了方便你快速理解这个机器码的计算方式,我们选用最简单的 MIPS 指令集,来看看机器码是如何生成的。

MIPS 是一组由 MIPS 技术公司在 80 年代中期设计出来的 CPU 指令集。就在最近,MIPS 公司把整个指令集和芯片架构都完全开源了。想要深入研究 CPU 和指令集的同学,我这里推荐一些资料,你可以自己了解下。

MIPS 的指令是一个 32 位的整数,高 6 位叫操作码(),也就是代表这条指令具体是一条什么样的指令,剩下的 26 位有三种格式,分别是 R、I 和 J。

R 指令是一般用来做算术和逻辑操作,里面有读取和写入数据的寄存器的地址。如果是逻辑位移操作,后面还有位移操作的位移量,而最后的功能码,则是在前面的操作码不够的时候,扩展操作码表示对应的具体指令的。

I 指令,则通常是用在数据传输、条件分支,以及在运算的时候使用的并非变量还是常数的时候。这个时候,没有了位移量和操作码,也没有了第三个寄存器,而是把这三部分直接合并成了一个地址值或者一个常数。

J 指令就是一个跳转指令,高 6 位之外的 26 位都是一个跳转后的地址。

add $t0,$s2,$s1

我以一个简单的加法算术指令 add t0,s1, $s2, 为例,给你解释。为了方便,我们下面都用十进制来表示对应的代码。

对应的 MIPS 指令里 是 0,rs 代表第一个寄存器 s1 的地址是 17,rt 代表第二个寄存器 s2 的地址是 18,rd 代表目标的临时寄存器 t0 的地址,是 8。因为不是位移操作,所以位移量是 0。把这些数字拼在一起,就变成了一个 MIPS 的加法指令。

为了读起来方便,我们一般把对应的二进制数,用 16 进制表示出来。在这里,也就是 。这个数字也就是这条指令对应的机器码。

回到开头我们说的打孔带。如果我们用打孔代表 1,没有打孔代表 0,用 4 行 8 列代表一条指令来打一个穿孔纸带,那么这条命令大概就长这样:

总结延伸

只是这整个程序的机器码,不是通过计算机编译出来的,而是由程序员,用人脑“编译”成一张张卡片的。对应的程序,也不是存储在设备里,而是存储成一张打好孔的卡片。但是整个程序运行的逻辑和其他 CPU 的机器语言没有什么分别,也是处理一串“0”和“1”组成的机器码而已。

我们看到了一个 C 语言程序,是怎么被编译成为汇编语言,乃至通过汇编器再翻译成机器码的。

除了 C 这样的编译型的语言之外,不管是 这样的解释型语言,还是 Java 这样使用虚拟机的语言,其实最终都是由不同形式的程序,把我们写好的代码,转换成 CPU 能够理解的机器码来执行的。

只是解释型语言,是通过解释器在程序运行的时候逐句翻译,而 Java 这样使用虚拟机的语言,则是由虚拟机对编译出来的中间代码进行解释,或者即时编译成为机器码来最终执行。

然而,单单理解一条指令是怎么变成机器码的肯定是不够的。接下来的几节,我会深入讲解,包含条件、循环、函数、递归这些语句的完整程序,是怎么在 CPU 里面执行的。

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