嵌入式开发中的底层探索:汇编与C语言的比较与选择
0 2023-12-01

分享本文,介绍下更接近硬件底层的C语言与汇编,解释 CPU 如何执行代码。

高级语言与低级语言

学习编程其实就是学习与计算机交流的语言。因为计算机不理解人类语言,通过编译器把人类写的代码转成二进制代码,才能在机器上运行。掌握了高级语言,并不等于理解计算机实际的运行步骤,还需要对C语言甚至是汇编有所了解才行。编程语言从低级到高级,如下图所示。其中,Assembly Language也就是我们说的汇编,在机器语言Machine Language与高级语言之间。

然而,计算机只能理解低级语言,它专门用来控制硬件。

汇编语言就是一种低级语言,直接描述或者控制CPU的运行。通过学习汇编语言,可以了解CPU到底干了些什么。

汇编语言不容易学习,大多数的嵌入式开发用C语言就能做得很好。用C语言开发效率更高,程序运行效率并不会大打折扣。为什么还要学习汇编呢?权当是为了更接近真相吧!

汇编语言怎么来的

作为智能设备核心的CPU只负责计算,本身不具备智能,只会按照指令要求去执行相应动作。

这些指令都是二进制的,称为操作码(opcode),比如加法指令就是00000011。编译器的作用,就是将高级语言写好的程序,翻译成一条条操作码。

最早的时候,编写程序就是手写二进制指令,程序就是一串0或1。据说在上世纪,世界上只有为数不多的天才可以做到。写完一连串01程序之后,通过各种开关输入计算机,比如要做加法了,就按一下加法开关。后来,发明了纸带打孔机,通过在纸带上打孔,将二进制指令自动输入计算机。如下图,就可能是一段计算机指令。


但是,这种反人类的二进制程序难以理解,可读性极差,换人来维护基本上等于从头再来!根本看不出来机器干了什么。为了解决可读性的问题,以及偶尔的编辑需求,汇编语言应运而生。

早期,为了解决二进制指令的可读性问题,工程师曾经将那些二进制指令写成了八进制,但是八进制的可读性也不行。很自然地,最后还是用文字表达。汇编语言是二进制指令的文本形式,与指令是一一对应的关系。比如,加法指令00000011写成汇编语言就是 ADD。内存地址也不再直接引用,而是用标签表示。

把这些文字指令翻译成二进制,这个步骤就称为汇编assembling,完成这个步骤的程序就叫做汇编器assembler。它处理的文本,标准化以后称为汇编语言Assembly Language,缩写为asm,文件名后缀为s。

寄存器与内存模型

寄存器

每一种CPU 的机器指令都是不一样的,因此对应的汇编语言也不一样。本文介绍的是最常见的Intel 公司CPU使用的那种x86汇编语言。

学习汇编语言要熟悉两个知识点:寄存器和内存模型。先来说一下寄存器。

CPU本身只负责运算,不负责储存数据。数据一般都储存在内存之中,CPU要用的时候就去内存读写数据。但是,CPU的运算速度远高于内存的读写速度,为了避免被拖慢,CPU都自带一级缓存和二级缓存。基本上,CPU缓存可以看作是读写速度较快的内存。

由于CPU缓存还是不够快,另外数据在缓存里面的地址是不固定的,CPU每次读写都要寻址也会拖慢速度。因此,除了缓存之外,CPU还自带了寄存器(register),用来储存最常用的数据。也就是说,像循环变量那种最频繁读写的数据都会放在寄存器里面,CPU优先读写寄存器,再由寄存器跟内存交换数据。如下图,按速度排序,从上到下依次降低。

寄存器不依靠地址区分数据,而依靠名称。每一个寄存器都有自己的名称,我们告诉CPU去具体的哪一个寄存器拿数据,这样的速度是最快的。有人比喻寄存器是CPU的零级缓存。

早期的x86CPU只有8个寄存器,而且每个都有不同的用途。现在的寄存器已经有100多个了,都变成通用寄存器,不特别指定用途了,但是早期寄存器的名字都被保存了下来。

EAXEBXECXEDXEDIESIEBPESP

上面这8个寄存器之中,前面七个都是通用的。ESP 寄存器有特定用途,保存当前 Stack 的地址。

常常看到的32位 CPU、64位 CPU 这样的名称,其实指的就是寄存器的大小。32 位 CPU 的寄存器大小就是4个字节。

内存模型:Heap

寄存器只能存放很少量的数据,大多数时候,CPU 要指挥寄存器,直接跟内存交换数据。所以,除了寄存器,还必须了解内存怎么储存数据。程序运行的时候,操作系统会给它分配一段内存,用来储存程序和运行产生的数据。这段内存有起始地址和结束地址,比如从0x1000到0x8000,起始地址是较小的那个地址,结束地址是较大的那个地址。

程序运行过程中,对于动态的内存占用请求(比如新建对象,或者使用malloc命令),系统就会从预先分配好的那段内存之中,划出一部分给用户,具体规则是从起始地址开始划分(实际上,起始地址会有一段静态数据,这里忽略)。举例来说,用户要求得到10个字节内存,那么从起始地址0x1000开始给他分配,一直分配到地址0x100A,如果再要求得到22个字节,那么就分配到0x1020。

这种因为用户主动请求而划分出来的内存区域,叫做 Heap(堆)。它由起始地址开始,从低位(地址)向高位(地址)增长。Heap 的一个重要特点就是不会自动消失,必须手动释放,或者由垃圾回收机制来回收。

内存模型:Stack

除了 Heap 以外,其他的内存占用叫做 Stack(栈)。简单说,Stack 是由于函数运行而临时占用的内存区域。

请看下面的例子。

int main() { int a = 2; int b = 3;}


上面代码中,系统开始执行main函数时,会为它在内存里面建立一个帧(frame),所有main的内部变量(比如a和b)都保存在这个帧里面。main函数执行结束后,该帧就会被回收,释放所有的内部变量,不再占用空间。

如果函数内部调用了其他函数,会发生什么情况?

int main() { int a = 2; int b = 3; return add_a_and_b(a, b);}

上面代码中,main函数内部调用了add_a_and_b函数。执行到这一行的时候,系统也会为add_a_and_b新建一个帧,用来储存它的内部变量。也就是说,此时同时存在两个帧:main和add_a_and_b。一般来说,调用栈有多少层,就有多少帧。

等到add_a_and_b运行结束,它的帧就会被回收,系统会回到函数main刚才中断执行的地方,继续往下执行。通过这种机制,就实现了函数的层层调用,并且每一层都能使用自己的本地变量。所有的帧都存放在 Stack,由于帧是一层层叠加的,所以 Stack 叫做栈。生成新的帧,叫做"入栈",英文是 push;栈的回收叫做"出栈",英文是 pop。Stack 的特点就是,最晚入栈的帧最早出栈(因为最内层的函数调用,最先结束运行),这就叫做"后进先出"的数据结构。每一次函数执行结束,就自动释放一个帧,所有函数执行结束,整个 Stack 就都释放了。

Stack 是由内存区域的结束地址开始,从高位(地址)向低位(地址)分配。比如,内存区域的结束地址是0x8000,第一帧假定是16字节,那么下一次分配的地址就会从0x7FF0开始;第二帧假定需要64字节,那么地址就会移动到0x7FB0。

CPU 指令

一个实例

了解寄存器和内存模型以后,就可以来看汇编语言到底是什么了。下面是一个简单的程序example.c。

int add_a_and_b(int a, int b) { return a + b;} int main() { return add_a_and_b(2, 3);}

gcc 将这个程序转成汇编语言。

$ gcc -S example.c

上面的命令执行以后,会生成一个文本文件example.s,里面就是汇编语言,包含了几十行指令。这么说吧,一个高级语言的简单操作,底层可能由几个,甚至几十个 CPU 指令构成。CPU 依次执行这些指令,完成这一步操作。

example.s经过简化以后,大概是下面的样子。

_add_a_and_b: push   %ebx mov    %eax, [%esp+8]  mov    %ebx, [%esp+12] add    %eax, %ebx  pop    %ebx  ret  _main: push   3 push   2 call   _add_a_and_b  add    %esp, 8 ret

可以看到,原程序的两个函数add_a_and_b和main,对应两个标签_add_a_and_b和_main。每个标签里面是该函数所转成的 CPU 运行流程。

每一行就是 CPU 执行的一次操作。它又分成两部分,就以其中一行为例。

push   %ebx

这一行里面,push是 CPU 指令,%ebx是该指令要用到的运算子。一个 CPU 指令可以有零个到多个运算子。下面我就一行一行讲解这个汇编程序,建议读者最好把这个程序,在另一个窗口拷贝一份,省得阅读的时候再把页面滚动上来。

push指令

程序从_main标签开始执行,这时会在 Stack 上为main建立一个帧,并将 Stack 所指向的地址,写入 ESP 寄存器。后面如果有数据要写入main这个帧,就会写在 ESP 寄存器所保存的地址。然后,开始执行第一行代码。

push 3

push指令用于将运算子放入 Stack,这里就是将3写入main这个帧。

虽然看上去很简单,push指令其实有一个前置操作。它会先取出 ESP 寄存器里面的地址,将其减去4个字节,然后将新地址写入 ESP 寄存器。使用减法是因为 Stack 从高位向低位发展,4个字节则是因为3的类型是int,占用4个字节。得到新地址以后, 3 就会写入这个地址开始的四个字节。

push 2

第二行也是一样,push指令将2写入main这个帧,位置紧贴着前面写入的3。这时,ESP 寄存器会再减去 4个字节(累计减去8)。

call指令

第三行的call指令用来调用函数。

call _add_a_and_b

上面的代码表示调用add_a_and_b函数。这时,程序就会去找_add_a_and_b标签,并为该函数建立一个新的帧。下面就开始执行_add_a_and_b的代码。

push %ebx

这一行表示将 EBX 寄存器里面的值,写入_add_a_and_b这个帧。这是因为后面要用到这个寄存器,就先把里面的值取出来,用完后再写回去。这时,push指令会再将 ESP 寄存器里面的地址减去4个字节(累计减去12)。

mov指令

mov指令用于将一个值写入某个寄存器。

mov    %eax, [%esp+8]

这一行代码表示,先将 ESP 寄存器里面的地址加上8个字节,得到一个新的地址,然后按照这个地址在 Stack 取出数据。根据前面的步骤,可以推算出这里取出的是2,再将2写入 EAX 寄存器。下一行代码也是干同样的事情。

mov    %ebx, [%esp+12]

上面的代码将 ESP 寄存器的值加12个字节,再按照这个地址在 Stack 取出数据,这次取出的是3,将其写入 EBX 寄存器。

add指令

add指令用于将两个运算子相加,并将结果写入第一个运算子。

add    %eax, %ebx

上面的代码将 EAX 寄存器的值(即2)加上 EBX 寄存器的值(即3),得到结果5,再将这个结果写入第一个运算子 EAX 寄存器。

pop指令

pop指令用于取出 Stack 最近一个写入的值(即最低位地址的值),并将这个值写入运算子指定的位置。

pop    %ebx

上面的代码表示,取出 Stack 最近写入的值(即 EBX 寄存器的原始值),再将这个值写回 EBX 寄存器(因为加法已经做完了,EBX 寄存器用不到了)。

注意,pop指令还会将 ESP 寄存器里面的地址加4,即回收4个字节。

ret指令

ret指令用于终止当前函数的执行,将运行权交还给上层函数。也就是,当前函数的帧将被回收。如下,可以看到,该指令没有运算子。

ret

随着add_a_and_b函数终止执行,系统就回到刚才main函数中断的地方,继续往下执行。

add %esp, 8 

上面的代码表示,将 ESP 寄存器里面的地址,手动加上8个字节,再写回 ESP 寄存器。这是因为 ESP 寄存器的是 Stack 的写入开始地址,前面的pop操作已经回收了4个字节,这里再回收8个字节,等于全部回收。

ret

最后,main函数运行结束,执行ret指令退出程序的执行。


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