????分享本文，介紹下更接近硬件底層的C語言與匯編，解釋 CPU 如何執行代碼。

高級語言與低級語言

????學習編程其實就是學習與計算機交流的語言。因為計算機不理解人類語言，通過編譯器把人類寫的代碼轉成二進制代碼，才能在機器上運行。掌握了高級語言，并不等于理解計算機實際的運行步驟，還需要對C語言甚至是匯編有所了解才行。編程語言從低級到高級，如下圖所示。其中，Assembly Language也就是我們說的匯編，在機器語言Machine Language與高級語言之間。

????然而，計算機只能理解低級語言，它專門用來控制硬件。

????匯編語言就是一種低級語言，直接描述或者控制CPU的運行。通過學習匯編語言，可以了解CPU到底干了些什么。

????匯編語言不容易學習，大多數的嵌入式開發用C語言就能做得很好。用C語言開發效率更高，程序運行效率并不會大打折扣。為什么還要學習匯編呢？權當是為了更接近真相吧！

匯編語言怎么來的

????作為智能設備核心的CPU只負責計算，本身不具備智能，只會按照指令要求去執行相應動作。

????這些指令都是二進制的，稱為操作碼(opcode)，比如加法指令就是00000011。編譯器的作用，就是將高級語言寫好的程序，翻譯成一條條操作碼。

????最早的時候，編寫程序就是手寫二進制指令，程序就是一串0或1。據說在上世紀，世界上只有為數不多的天才可以做到。寫完一連串01程序之后，通過各種開關輸入計算機，比如要做加法了，就按一下加法開關。后來，發明了紙帶打孔機，通過在紙帶上打孔，將二進制指令自動輸入計算機。如下圖，就可能是一段計算機指令。

????但是，這種反人類的二進制程序難以理解，可讀性極差，換人來維護基本上等于從頭再來！根本看不出來機器干了什么。為了解決可讀性的問題，以及偶爾的編輯需求，匯編語言應運而生。

????早期，為了解決二進制指令的可讀性問題，工程師曾經將那些二進制指令寫成了八進制，但是八進制的可讀性也不行。很自然地，最后還是用文字表達。匯編語言是二進制指令的文本形式，與指令是一一對應的關系。比如，加法指令00000011寫成匯編語言就是 ADD。內存地址也不再直接引用，而是用標簽表示。

????把這些文字指令翻譯成二進制，這個步驟就稱為匯編assembling，完成這個步驟的程序就叫做匯編器assembler。它處理的文本，標準化以后稱為匯編語言Assembly Language，縮寫為asm，文件名后綴為s。?

寄存器與內存模型

寄存器

????每一種CPU 的機器指令都是不一樣的，因此對應的匯編語言也不一樣。本文介紹的是最常見的Intel 公司CPU使用的那種x86匯編語言。

????學習匯編語言要熟悉兩個知識點：寄存器和內存模型。先來說一下寄存器。

??? CPU本身只負責運算，不負責儲存數據。數據一般都儲存在內存之中，CPU要用的時候就去內存讀寫數據。但是，CPU的運算速度遠高于內存的讀寫速度，為了避免被拖慢，CPU都自帶一級緩存和二級緩存。基本上，CPU緩存可以看作是讀寫速度較快的內存。

????由于CPU緩存還是不夠快，另外數據在緩存里面的地址是不固定的，CPU每次讀寫都要尋址也會拖慢速度。因此，除了緩存之外，CPU還自帶了寄存器(register)，用來儲存最常用的數據。也就是說，像循環變量那種最頻繁讀寫的數據都會放在寄存器里面，CPU優先讀寫寄存器，再由寄存器跟內存交換數據。如下圖，按速度排序，從上到下依次降低。

????寄存器不依靠地址區分數據，而依靠名稱。每一個寄存器都有自己的名稱，我們告訴CPU去具體的哪一個寄存器拿數據，這樣的速度是最快的。有人比喻寄存器是CPU的零級緩存。

????早期的x86CPU只有8個寄存器，而且每個都有不同的用途。現在的寄存器已經有100多個了，都變成通用寄存器，不特別指定用途了，但是早期寄存器的名字都被保存了下來。

EAXEBXECXEDXEDIESIEBPESP

????上面這8個寄存器之中，前面七個都是通用的。ESP 寄存器有特定用途，保存當前 Stack 的地址。

????常常看到的32位 CPU、64位 CPU 這樣的名稱，其實指的就是寄存器的大小。32 位 CPU 的寄存器大小就是4個字節。

內存模型：Heap

????寄存器只能存放很少量的數據，大多數時候，CPU 要指揮寄存器，直接跟內存交換數據。所以，除了寄存器，還必須了解內存怎么儲存數據。程序運行的時候，操作系統會給它分配一段內存，用來儲存程序和運行產生的數據。這段內存有起始地址和結束地址，比如從0x1000到0x8000，起始地址是較小的那個地址，結束地址是較大的那個地址。

????程序運行過程中，對于動態的內存占用請求(比如新建對象，或者使用malloc命令)，系統就會從預先分配好的那段內存之中，劃出一部分給用戶，具體規則是從起始地址開始劃分(實際上，起始地址會有一段靜態數據，這里忽略)。舉例來說，用戶要求得到10個字節內存，那么從起始地址0x1000開始給他分配，一直分配到地址0x100A，如果再要求得到22個字節，那么就分配到0x1020。

????這種因為用戶主動請求而劃分出來的內存區域，叫做 Heap(堆)。它由起始地址開始，從低位(地址)向高位(地址)增長。Heap 的一個重要特點就是不會自動消失，必須手動釋放，或者由垃圾回收機制來回收。

內存模型：Stack

????除了 Heap 以外，其他的內存占用叫做 Stack(棧)。簡單說，Stack 是由于函數運行而臨時占用的內存區域。

????請看下面的例子。

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

????上面代碼中，系統開始執行main函數時，會為它在內存里面建立一個幀(frame)，所有main的內部變量(比如a和b)都保存在這個幀里面。main函數執行結束后，該幀就會被回收，釋放所有的內部變量，不再占用空間。

????如果函數內部調用了其他函數，會發生什么情況？

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

????上面代碼中，main函數內部調用了add_a_and_b函數。執行到這一行的時候，系統也會為add_a_and_b新建一個幀，用來儲存它的內部變量。也就是說，此時同時存在兩個幀：main和add_a_and_b。一般來說，調用棧有多少層，就有多少幀。

????等到add_a_and_b運行結束，它的幀就會被回收，系統會回到函數main剛才中斷執行的地方，繼續往下執行。通過這種機制，就實現了函數的層層調用，并且每一層都能使用自己的本地變量。所有的幀都存放在 Stack，由于幀是一層層疊加的，所以 Stack 叫做棧。生成新的幀，叫做"入棧"，英文是 push；棧的回收叫做"出棧"，英文是 pop。Stack 的特點就是，最晚入棧的幀最早出棧(因為最內層的函數調用，最先結束運行)，這就叫做"后進先出"的數據結構。每一次函數執行結束，就自動釋放一個幀，所有函數執行結束，整個 Stack 就都釋放了。

??? Stack 是由內存區域的結束地址開始，從高位(地址)向低位(地址)分配。比如，內存區域的結束地址是0x8000，第一幀假定是16字節，那么下一次分配的地址就會從0x7FF0開始；第二幀假定需要64字節，那么地址就會移動到0x7FB0。

CPU 指令

一個實例

????了解寄存器和內存模型以后，就可以來看匯編語言到底是什么了。下面是一個簡單的程序example.c。

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

??? gcc 將這個程序轉成匯編語言。

$ gcc -S example.c

????上面的命令執行以后，會生成一個文本文件example.s，里面就是匯編語言，包含了幾十行指令。這么說吧，一個高級語言的簡單操作，底層可能由幾個，甚至幾十個 CPU 指令構成。CPU 依次執行這些指令，完成這一步操作。

??? example.s經過簡化以后，大概是下面的樣子。

_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，原程序的兩個函數add_a_and_b和main，對應兩個標簽_add_a_and_b和_main。每個標簽里面是該函數所轉成的 CPU 運行流程。

????每一行就是 CPU 執行的一次操作。它又分成兩部分，就以其中一行為例。

push %ebx

????這一行里面，push是 CPU 指令，%ebx是該指令要用到的運算子。一個 CPU 指令可以有零個到多個運算子。下面我就一行一行講解這個匯編程序，建議讀者最好把這個程序，在另一個窗口拷貝一份，省得閱讀的時候再把頁面滾動上來。

push指令

????程序從_main標簽開始執行，這時會在 Stack 上為main建立一個幀，并將 Stack 所指向的地址，寫入 ESP 寄存器。后面如果有數據要寫入main這個幀，就會寫在 ESP 寄存器所保存的地址。然后，開始執行第一行代碼。

push?3

??? push指令用于將運算子放入 Stack，這里就是將3寫入main這個幀。

????雖然看上去很簡單，push指令其實有一個前置操作。它會先取出 ESP 寄存器里面的地址，將其減去4個字節，然后將新地址寫入 ESP 寄存器。使用減法是因為 Stack 從高位向低位發展，4個字節則是因為3的類型是int，占用4個字節。得到新地址以后， 3 就會寫入這個地址開始的四個字節。

push 2

????第二行也是一樣，push指令將2寫入main這個幀，位置緊貼著前面寫入的3。這時，ESP 寄存器會再減去 4個字節(累計減去8)。

call指令

????第三行的call指令用來調用函數。

call _add_a_and_b

????上面的代碼表示調用add_a_and_b函數。這時，程序就會去找_add_a_and_b標簽，并為該函數建立一個新的幀。下面就開始執行_add_a_and_b的代碼。

push %ebx

????這一行表示將 EBX 寄存器里面的值，寫入_add_a_and_b這個幀。這是因為后面要用到這個寄存器，就先把里面的值取出來，用完后再寫回去。這時，push指令會再將 ESP 寄存器里面的地址減去4個字節(累計減去12)。

mov指令

??? mov指令用于將一個值寫入某個寄存器。

mov %eax, [%esp+8]

????這一行代碼表示，先將 ESP 寄存器里面的地址加上8個字節，得到一個新的地址，然后按照這個地址在 Stack 取出數據。根據前面的步驟，可以推算出這里取出的是2，再將2寫入 EAX 寄存器。下一行代碼也是干同樣的事情。

mov %ebx, [%esp+12]

????上面的代碼將 ESP 寄存器的值加12個字節，再按照這個地址在 Stack 取出數據，這次取出的是3，將其寫入 EBX 寄存器。

add指令

??? add指令用于將兩個運算子相加，并將結果寫入第一個運算子。

add %eax, %ebx

????上面的代碼將 EAX 寄存器的值(即2)加上 EBX 寄存器的值(即3)，得到結果5，再將這個結果寫入第一個運算子 EAX 寄存器。

pop指令

??? pop指令用于取出 Stack 最近一個寫入的值(即最低位地址的值)，并將這個值寫入運算子指定的位置。

pop %ebx

????上面的代碼表示，取出 Stack 最近寫入的值(即 EBX 寄存器的原始值)，再將這個值寫回 EBX 寄存器(因為加法已經做完了，EBX 寄存器用不到了)。

注意，pop指令還會將 ESP 寄存器里面的地址加4，即回收4個字節。

ret指令

??? ret指令用于終止當前函數的執行，將運行權交還給上層函數。也就是，當前函數的幀將被回收。如下，可以看到，該指令沒有運算子。

ret

????隨著add_a_and_b函數終止執行，系統就回到剛才main函數中斷的地方，繼續往下執行。

add %esp, 8

????上面的代碼表示，將 ESP 寄存器里面的地址，手動加上8個字節，再寫回 ESP 寄存器。這是因為 ESP 寄存器的是 Stack 的寫入開始地址，前面的pop操作已經回收了4個字節，這里再回收8個字節，等于全部回收。

ret

????最后，main函數運行結束，執行ret指令退出程序的執行。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的uml+oopc嵌入式c语言开发精讲_嵌入式开发中更接近底层的汇编与C语言的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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