CPU內部的奧祕：程式碼是如何被執行的？

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本文作者：景明

我們以一段 C 程式碼為例，來看一下程式碼被編譯成二進位制可執行程式之後，是如何被 CPU 執行的。

在這段程式碼中，只是做了非常簡單的加法操作，將 x 和 y 兩個數位相加得到 z，並返回結果 z。

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

我們知道，CPU 並不能直接執行這段 C 程式碼，而是需要對其進行編譯，將其轉換為二進位制的機器碼，然後 CPU 才能按照順序執行編譯後的機器碼。

先通過 GCC 編譯器將這段 C 程式碼編譯成二進位制檔案，輸入以下命令讓其編譯成目的檔案：

gcc -O0 -o code_prog code.c

輸入上面的命令之後回車，在資料夾中生成名為 code_prog 的可執行程式，接下來再將編譯出來的 code_prog 程式進行反組合，這樣就可以看到二進位制程式碼和對應的組合程式碼。可以使用 objdump 的完成該任務，命令如下所示：

objdump -d code_prog

最後編譯出來的機器碼如下：

0000000100003f84 <_main>:
100003f84: ff 43 00 d1  	  sub	sp, sp, #16            // 開闢棧空間。即開闢了四個 4 位元組空間
100003f88: ff 0f 00 b9  	  str	wzr, [sp, #12]         // 將 wzr 暫存器的資料儲存到 sp 暫存器的 #12 地址上，設為0
100003f8c: 28 00 80 52  	  mov	w8, #1                 // 建立一個 x = 1，並將 1 存入 w8 暫存器中
100003f90: e8 0b 00 b9  	  str	w8, [sp, #8]           // 將 w8 暫存器的資料存入 sp 暫存器中 #8 的地址中，也就是將 x = 1 存入
100003f94: 48 00 80 52  	  mov	w8, #2                 // 建立一個 y = 2，並將 2 存入 w8 暫存器中
100003f98: e8 07 00 b9  	  str	w8, [sp, #4]           // 將 w8 暫存器的資料存入 sp 暫存器中 #4 的地址中，也就是將 y = 2 存入
100003f9c: e8 0b 40 b9  	  ldr	w8, [sp, #8]           // 讀取 sp 暫存器中 #8 的資料存入 w8 暫存器中，也就是獲取 x = 1
100003fa0: e9 07 40 b9  	  ldr	w9, [sp, #4]           // 讀取 sp 暫存器中 #4 的資料存入 w9 暫存器中，也就是獲取 y = 2
100003fa4: 08 01 09 0b  	  add	w8, w8, w9             // 將 w8、w9 暫存器的 x,y 資料進行相加，並存入 w8 暫存器中，也就是 z = 3
100003fa8: e8 03 00 b9  	  str	w8, [sp]               // 將 w8 暫存器的資料存入 sp 暫存器中
100003fac: e0 03 40 b9  	  ldr	w0, [sp]               // 讀取 sp 暫存器中的資料存到 w0 暫存器中。z = 3
100003fb0: ff 43 00 91  	  add	sp, sp, #16            // 清空開闢的棧空間
100003fb4: c0 03 5f d6  	  ret                        // 返回結果

PS: wzr 為 32 的零暫存器，專門用來清零，也就是 sp 上 #12 指向的資料設定為 0

觀察上方，左邊就是編譯生成的機器碼，在這裡它是使用十六進位制來展示的，這主要是因為十六進位制比較容易閱讀，所以通常使用十六進位制來展示二進位制程式碼。

可以觀察到上圖是由很多行組成的，每一行都是一個指令，該指令可以讓 CPU 執行指定的任務。

中間的部分是組合程式碼，例如原本是二進位制表示的指令，在組合程式碼中可以使用單詞來表示，比如 mov、add 就分別表示資料的儲存和相加。

通常將組合語言編寫的程式轉換為機器語言的過程稱為「組合」；反之，機器語言轉化為組合語言的過程稱為「反組合」，比如上圖就是對 code_prog 程序進行了反組合操作。

右邊新增的註釋，表示每條指令的具體含義。

這一大堆指令按照順序集合在一起就組成了程式，所以程式的執行，本質上就是 CPU 按照順序執行這一大堆指令的過程。

CPU 是怎麼執行程式的？

為了更好的分析程式的執行過程，我們還需要了解一下基礎的計算機硬體資訊，具體如下圖：

這張圖是比較通用的系統硬體組織模型圖，它主要是由 CPU、主記憶體儲器、各種 IO 匯流排，還有一些外部裝置組成的。

首先，在一個程式執行之前，程式需要被裝進記憶體，比如在 macOS 下面，你可以通過滑鼠點選一個可執行檔案，當你點選該檔案的時候，系統中的程式載入器會將該檔案載入到記憶體中。

CPU 可以通過指定記憶體地址，從記憶體中讀取資料，或者往記憶體中寫入資料，有了記憶體地址，CPU 和記憶體就可以有序地互動。

記憶體中的每個儲存空間都有其對應的獨一無二的地址：

在記憶體中，每個存放位元組的空間都有其唯一的地址，而且地址是按照順序排放的。

以開頭程式碼為例，這段程式碼會被編譯成可執行檔案，可執行檔案中包含了二進位制的機器碼，當二進位制程式碼被載入進了記憶體後，那麼記憶體中的每條二進位制程式碼便都有了自己對應的地址，如下圖所示：

一旦二進位制程式碼被裝載進記憶體，CPU 便可以從記憶體中取出一條指令，然後分析該指令，最後執行該指令。

把取出指令、分析指令、執行指令這三個過程稱為一個 CPU 時鐘週期。CPU 是永不停歇的，當它執行完成一條指令之後，會立即從記憶體中取出下一條指令，接著分析該指令，執行該指令，CPU 一直重複執行該過程，直至所有的指令執行完成。

CPU 是怎麼知道要取出記憶體中的哪條指令呢？：

從上圖可以看到 CPU 中有一個 PC 暫存器，它儲存了將要執行的指令地址，當二進位制程式碼被裝載進了記憶體之後，系統會將二進位制程式碼中的第一條指令的地址寫入到 PC 暫存器中，到了下一個時鐘週期時，CPU 便會根據 PC 暫存器中的地址，從記憶體中取出指令。

PC 暫存器中的指令取出來之後，系統要做兩件事：第一件是將下一條指令的地址更新到 PC 暫存器中，如下圖所示：

更新了 PC 暫存器之後，CPU 就會立即做第二件事，那就是分析該指令，並識別出不同的型別的指令，以及各種獲取運算元的方法。

在指令分析完成之後，就要執行指令了。

在執行指令前，我們還需要認識一下 CPU 中的重要部件：暫存器。

暫存器

暫存器是 CPU 中用來存放資料的裝置，不同處理器中暫存器的個數也是不一樣的，之所要暫存器，是因為 CPU 存取記憶體的速度很慢，所以 CPU 就在內部新增了一些儲存裝置，這些裝置就是暫存器。

他們的讀取速度如下：

總結來說，暫存器容量小，讀寫速度快，記憶體容量大，讀寫速度慢。

暫存器通常用來存放資料或者記憶體中某塊資料的地址，我們把這個地址又稱為指標，通常情況下暫存器對存放的資料是沒有特別的限制的，比如某個通用暫存器既可以儲存資料，也可以儲存指標。

不過由於歷史原因，我們還會將某些專用的資料或者指標儲存在專用的通用暫存器中 ，比如 rbp 暫存器通常用來存放棧影格指標的，rsp 暫存器用來存放棧頂指標的，PC 暫存器用來存放下一條要執行的指令等。

特殊暫存器

Stack Pointer register（SP）

The use of SP as an operand in an instruction, indicates the use of the current stack pointer.
指向當前棧指標。堆疊指標總是指向棧頂位置。一般堆疊的棧底不能動，所以資料入棧前要先修改堆疊指標，使它指向新的空餘空間然後再把資料存進去，出棧的時候相反。

堆疊指標，隨時跟蹤棧頂地址，按"先進後出"的原則存取資料。

Link Register （LR）

連線暫存器，一是用來儲存子程式返回地址；二是當異常發生時，LR中儲存的值等於異常發生時PC的值減4（或者減2），因此在各種異常模式下可以根據LR的值返回到異常發生前的相應位置繼續執行。

Program Counter（PC）

A 64-bit Program Counter holding the address of the current instruction.
儲存了將要執行的指令地址

Word Zero Register（WZR）

零暫存器，用於給int清零

tips

不同指令中暫存器後 #d 有什麼區別？
[#d]在ARM代表的是一個常數表示式。
如：#0x3FC、#0、#0xF0000000、#200、#0xF0000001
都是代表著一個常數。

在 sp 暫存器中，代表的是當前棧頂指標移動的位置。
如：

sub	sp, sp, #16；// 獲取 sp 中的棧頂指標移動 16位元的位置，並把位置更新到 sp 暫存器中。實現開闢空間

在通用暫存器 W0 - W11 中，代表的操作的常數值。

mov	w8, #2，// 把常數 2 新增到 w8 暫存器中

通用暫存器

以下介紹下比較常見的通用暫存器：

• 其中W0~W3 用於函數呼叫入參，其中，W0 還用於程式的返回值.
• W4~W11用於儲存區域性變數。
• W13為SP，時刻指向棧頂，當有資料入棧或出棧時，需要更新SP
• W14為連結暫存器，主要是用作儲存子程式返回的地址。
• W15為PC暫存器，指向將要執行的下一條指令地址。

常見指令

mov

資料傳送指令。將立即數或暫存器(operant2)傳送到目標暫存器Rd，可用於移位運算等操作。指令格式如下：

MOV{cond}{S} Rd,operand2

如:

mov w8, #1，就是往 w8 暫存器中寫入 #1.

mov w8, w9， 就是把 w9 暫存器的資料傳送到 w8 暫存器中，最終 w8 和 w9 暫存器的資料一致。如下圖：

ldr

ldr 從記憶體中讀取資料放入暫存器中

LDR{cond}{T} Rd,<地址>;載入指定地址上的資料(字)，放入Rd中

如：

ldr w8, [sp, #8] 讀取 sp 暫存器中 #8 位置的資料存入 w8 暫存器中，改變的只有 w8 ，sp 暫存器不變

str

str 指令用於將暫存器中的資料儲存到記憶體

STR{cond}{T} Rd,<地址>;儲存資料(字)到指定地址的儲存單元，要儲存的資料在Rd中

如：
str w8, [sp] ， 將 w8 暫存器的資料存入 sp 暫存器中

add

加法運算指令。將operand2 資料與Rn 的值相加，結果儲存到Rd 暫存器。指令格式如下：

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

以 add w8, w8, w9 為例，就是把 w8、w9 暫存器的 x,y 資料進行相加，並存入 w8 暫存器中

如下圖：

sub

減法運算指令。用暫存器 Rn 減去operand2。結果儲存到 Rd 中。指令格式如下：

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

如：

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

執行過程

瞭解了以上的知識，我們再來分析一遍程式碼的執行過程。

在 C 程式中，CPU 會首先執行呼叫 main 函數，在呼叫 main 函數時，生成一塊記憶體空間，用來存放 main 函數執行過程中的資料。

sub	sp, sp, #16

將 0 寫入到 #12 的位元組位置上。

str	wzr, [sp, #12]

接下來給 x 附值

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

第一行指令是把 1 新增進暫存器中。第二行指令是把 1 存入 #8 地址的記憶體空間中。

接著給 y 附值

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

第一行指令是把 2 新增進暫存器中。第二行指令是把 2 存入 #4 地址的記憶體空間中。

執行完 x， y 的生成，接下來執行 z = x + y

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

第一行指令取出記憶體空間地址為 #8 的資料，也就是 1. 第二行指令去除記憶體空間地址為 #4 的資料，也就是 2，第三行指令則對取出的資料進行相加操作，並將結果 3 存入暫存器中。

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

第一行指令把暫存器中的最終的資料存入記憶體中，第二行指令則獲取記憶體中的結果，存入暫存器中。等待返回

add	sp, sp, #16

把開闢的空間進行清理。

ret

返回結果

總結

本文主要講解了 CPU 的執行過程，順便了解了一下基礎的計算機硬體資訊，如有想法