计算机基础（二）：汇编语言与内存结构

上一篇 计算机基础（一）：面向CPU编程 介绍了计算机的起源，以及CPU的主要结构，并引入了 ISA 的概念。本篇继续总结计算机基础相关的内容。

汇编语言

我们知道了ISA是定义了面向CPU编程的 0、1 组合起来的指令规则，最开始人们就是这样按照 ISA 指令集中的定义来编写成语，但这样由0和1组合起来的指令编写、维护起来并不容易，一旦出错也很难定位问题，因此，人们发明了一种使用助记符来编写指令的方式，即：汇编语言。继而后期，又在汇编语言的基础上抽象出了C语言、及其他众多的语言。这就是后话了。

汇编语言其实并没有什么高深的，它是一门与 ISA 指令集一一对应的产物，只是通过对人类更加友好的助记符来进行编写和维护，CPU其实还是识别的ISA指令，执行的还是二进制。那么，也就是说，汇编语言必须转换为 ISA指令 后，才能被 CPU 执行。谁来做这个转换的工作呢？它就是汇编器！

汇编语言的最终作用，其实也和 ISA 一样，抽象机器语言，操作CPU，去控制其他硬件完成操作。具体来说：操作CPU的控制单元，控制存储单元、运算单元去对来自缓存的数据进行CRUD操作。

上一篇在介绍ISA时提到，指令是由操作码和操作数构成，操作码定义了这个指令要干什么，操作数指明当前指令参与操作的东西（立即数、寄存器、内存中的值等等），汇编语言中的指令其实也类似，只不过，将二进制转换为了更加友好一些的助记符，比如：

• 移动数据使用 mov 指令
• 加减乘除分别对应 add、sum、mul、div 指令。

具体这些指令的使用说明哪里有定义呢？它是由 CPU 厂家进行的定义，那我们常用的 Intel 公司的 CPU 来说，他们提供了其汇编指令的定义，具体是在 Intel 开发手册（下载地址 ）查看。

Intel手册

Intel开发手册包含很多信息，不只是汇编指令的说明。手册总共分为4卷，采用总分结构：

1. 第一卷介绍 Intel 处理器的体系结构；
2. 第二卷介绍指令集的参考说明；
3. 第三卷介绍（操作）系统的编程指南，具体包括内存管理、保护、任务管理、中断和异常处理等；
4. 第四卷介绍处理器的特定型号寄存器。

可以看到，想系统了解底层 CPU 硬件提供的支持，可以详细查看该手册，第一卷、第二卷介绍一些原理、基础方面的内容，第二卷就是对具体指令的索引说明，第四卷是对特定寄存器的说明，因此可以把 2、4 卷看作是字典来查即可。比如我们要查看 mov 汇编指令的描述，直接定位到第二卷的 4.2 节即可。

内存结构

内存结构划分

我们知道了CPU执行指令的基本底层原理（通过 汇编指令/ISA 控制CPU中的控制器，继而控制其他组件），而接下来了解下 CPU 运行时的数据来源：内存。

1. 按照计算机执行的指令片段是否共享数据划分的话，分为指令片段私有的数据、以及指令片段之间共享的数据。
   • 指令片段私有的数据随着指令片段的执行开始与结束，进行创建与销毁，生命周期与指令片段的执行保持一致，而指令片段执行时很大情况下通过 CALL 指令调用其他指令片段，也就意味着结构上存在嵌套的关系，并且需要有嵌套执行时先进后出的特性。因此，使用一种结构表示这种关系，即栈，这片表示指令段私有数据（栈结构）的内存空间叫做栈空间；
   • 指令片段之间共享的数据，通过堆内存空间表示。
2. 以上划分是在指令执行时动态分配的内存，除了动态分配的内存空间，还有必要在指令执行前就需要分配的空间：比如我们的代码占用的空间：代码段内存，代码中定义的一些共享的数据，在执行前就可以确定，会分配在：数据内存。
3. 一段程序执行时，有以上这些内存空间就够了，但“程序”这个维度上有一个特殊的存在，那就是操作系统，它相对于我们编写的普通程序还不一样，它的地位更高一些，因为我们的程序需要通过操作系统去操作硬件，因此内存划分上有单独的一片操作系统独占的内存空间，普通程序是无法访问到操作系统的内存的。
4. 补充一下，除了以上内存空间，还有个空间，是表示为空的情况的，比如在Java中定义一个对象，默认为Null，这个Null也需要一个空间来表示。

以上总结起来，就是下面这张内存结构的示意图：

栈内存结构

栈内存的实现有两种方式，一种是连续内存、一种是不连续的内存，我们这里讨论连续内存的情况。

我们知道了栈内存空间，是为了指令动态执行时分配私有数据用的，而指令嵌套执行时，只能访问当前指令段自己的私有空间，仅此将栈内存进一步的进行了划分，栈的一片空间里，保存了自己指令段的私有数据的区域，叫做：栈帧。

指令片段通过 call、ret 指令调用、退出其他指令段时，也就意味着栈帧在栈空间的入栈、出栈操作。比如，当指令段A调用指令段B，指令段B调用指令段C的时候，整体的栈帧结构示意图如下：

之所以叫示意图，是因为它并不是十分准确，因为要实现栈的操作，我们还需要搭配 CPU 的寄存器。CPU中有两个专门的寄存器，分别指向当前执行栈结构中的栈底和栈顶，这两个足够必要，因为我们要动态开辟、回收栈空间，必须依赖这两个寄存器中保存的内存地址。（哦，对了，之前我们还没有引入过内存地址。要想访问某个内存，肯定也是需要对我们的内存进行编码的嘛，给每一个内存单元一个地址，我们的CPU才能访问得到呀。）

说回栈底和栈顶寄存器，保存了当前指令片段栈帧中的地址，最初始时的状态是这样：

通过移动栈顶寄存器，实现动态分配、回收栈中的数据。

当代 码段A 调用 代码段B 的时候呢，就需要开辟一个新的栈帧了，这时候A的栈顶、栈底是不是也得需要保存一下呢？？（换一组寄存器保存？那寄存器肯定不够用嘛，我们还得复用这两个寄存器）实际只需要保存栈底空间即可，因为A的栈顶我们可以通过 代码段B 的栈底自动识别到。因此在为代码段B开辟新的栈帧的时候，需要将A的栈底地址保存一下，然后将栈底寄存器更新为B的栈底寄存器：

随着代码段B的执行，栈帧不断扩展，栈顶寄存器向上移动开辟空间，当调用代码段C的时候，也是类似的，会开辟新的栈帧，因此，实际的示意图如下：

嵌套代码段退出时，类似的，弹出栈帧，弹出保存着的上一级的栈底地址，更新栈底寄存器，继续执行。以上，便是指令片段执行时，栈空间操作的基本流程。

总线机制

CPU与内存的交互，通过总线（计算机组成原理）传递信息来实现，总线分为三类：控制总线（CB）、地址总线（AB）、数据总线（DB）

地址总线：决定了处理器将从内存中读取数据或写入数据的内存位置。
数据总线：包含已从内存位置读取或将写入内存位置的数据内容。
控制总线：管理组件之间的信息流，指示操作是读取还是写入，并确保操作在正确的时间发生。

内存分段与分页

寄存器分类

寄存器主要分为两大类：专用寄存器、通用寄存器。专用寄存器只能用于其特有的功能，比如上面我们提到的栈底寄存器、栈顶寄存器；通用寄存器除了用于自己特有表明的功能外，还可以用作其他用途。

小结

本篇总结了汇编语言的出现、计算机运行时的内存结构划分，以及总结了栈内存空间在程序运行时的示意图。