深入理解计算机系统 第 4 课 Machine Basics
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从这一讲开始，我们接触到更多机器相关的内容，这次要说的是基础知识，为之后更深入讲解打下基础。
Intel 处理器简史
这一讲的部分内容在我之前上过的 18640 Foundation of Computer Architecture 中也有涉及，但是重点不同，这里会结合这两门课的内容做一个简单的介绍。
首先介绍的就是处理器，作为计算机的大脑，虽然有很多种，这里只介绍 Intel x86 架构的处理器。课堂上介绍了 Intel 处理器的大致发展历史和特点，我简要说明一下。
作为统治笔记本桌面电脑服务器市场的处理器，x86 处理器是一个一直在进化的产品，甚至兼容 1978年的 8086 的指令集。值得注意的是，x86 采用的是 Complex instruction set computer(CISC)，之所以称为复杂指令，是因为有许许多多不同格式的不同指令（对应的是 RISC）
整个 Intel x86 的发展史很长，这里提几个关键的时间节点和对应产品：
- 1978 年：8086，第一个 16 位处理器，主要为 IBM PC 和 DOS 设计，有 1MB 的地址空间
- 1985 年：386，第一个 32 位 Intel 处理器(IA32)，添加了 flat addressing，使得可以运行 Unix
- 2004 年：Pentium 4E，第一个 64 位 Intel 处理器(x86-64)
- 2006 年：Core 2，第一个 多核 Intel 处理器
- 2008 年：Core i7，四核（也就是我们做实验用的机器）
随着时代和科技的发展，除了最基本的运算指令集，还有一些其他的特性：
- 增加了支持多媒体操作处理的指令
- 启用了更加高效的执行条件操作的指令
- 从 32 位迁移的 64 位
- 更多的运算核心
一个另外的趋势是集成，比如说 2015 年的 Core i7 Broadwell，可以从下图看到处理器芯片中加入了原来主板才有的许多部件，如 PCIe, SATA, DDR3 等等。
顺带说一下千年老二 AMD，主打性价比，研发的 Opteron 系列是 Pentium 4 的强劲对手，并且开发了自己的 64 位拓展 x86-64。但是近年来 Intel 重新找回厂子，AMD 开始打酱油。
Intel 在 64 位处理器的发展并不算顺风顺水，2001 年本打算使用全新的架构快速从 IA32 转换到 IA64，但是糟糕的性能反倒给了 AMD 机会。后者在 2003 年发布的 x86-64(现在叫 AMD64) 架构明显更厉害，搞得 Intel 疲于应战，最后在 2004 年搞出来一个叫 EM64T 的东西，其实几乎和 AMD64 一样。现在除了某些低端的处理器，几乎都支持 x86-64，这也是这门课主要要讲的内容。
C 语言，汇编和机器代码
先介绍一些定义：
Architecture: (also ISA, instruction set architecture) The parts of a processor design that one needs to understand or write assembly/machine code. (Examples: instruction set specification, registers)
Microarchitecture: Implementation of the architecture. (Examples: cache sizes and core frequency)
- Code Forms:
- Machine Code: The byte-level programs that a processor executes
- Assembly Code: A text prepresentation of machine code
- Example ISAs:
- Intel: x86, IA32, Itanium, x86-64
- ARM: Used in almost all mobile phones
现在简单介绍下几个比较重要的部分：
- PC: Program counter，里面存着下一条指令的地址，在 x86-64 中称为 RIP
- Register: 寄存器，用来存储数据以便操作
- Codition codes: 条件代码，通常保存最近的算术或逻辑操作的信息，用来做条件跳转
- Memory: 内存，有地址数组，代码和用户数据，以及栈
我们知道机器只能执行机器代码，我们写的 C 语言代码是如何成为机器代码的呢？可以参见下图：
这里的 -Og -S 是编译器的参数，意思是进行不那么优化的优化（这样我们才能看得懂编译出来的汇编语言）以及汇编完输出汇编结果。
我们有如左图所示的代码，使用命令 gcc -Og -S sum.c 就可以产生 sum.s 文件，我们来对比看一下。（注意不同的平台不同的编译器不同的参数会有不同的结果，和下图可能差别很大）
这里先不展开讲每条指令是做什么的，先来说说汇编语言的数据类型
- 整型：有 1，2，4，8 个字节，可以存数据，也可以存地址（地址是无类型的指针）
- 浮点数：有 4，8，10 个字节，和整型分不同的寄存器
- 代码：由一系列指令编码而成的字节序列
- 注意，是没有类似数组和结构体这种组合的，这些其实都只是在内存中连续分配的字节
能够执行的操作也很有限：
- 对寄存器或者内存中的数据执行算术运算
- 在内存和寄存器之间传输数据
- 传输控制（非条件跳转和条件分支）
汇编器会把 .s 文件转换成 .o，把每条指令转换成二进制代码，基本上就是可以执行的代码了，除了不同文件的连接之外。
连接器会把不同文件之间的引用处理好，顺带也会吧静态库给连接进去（例如 malloc printf 的代码），注意，有些代码是动态连接的，也就是在执行时才连接，这样就可以减少一些编译出来的文件大小。
举个例子
除了汇编，还可以反汇编，objdum -d sum 比如：
反汇编有什么用呢：
- 检查代码
- 分析指令的结构模式
- 生成近似的汇编代码
- 可以对
a.out或者.o文件进行反汇编 - 注意，有些软件的用户协议里说明是不能反编译的，例如：windows
汇编基础
先来看看 x86-64 的整型寄存器
发现其实大的里面还包含小的（灰色部分），为什么呢？看看 IA32 的架构就明白了
发现没有？%rsp 里面包含 %esp，%esp 里面又包含 %sp，这样就保证了可以从 64 位兼容 32 位再到最初的 16 位，是不是很精妙的设计？
移动数据
操作数主要有三种类型，一种是立即数，也就是直接给的一个数字，第二种是寄存器，第三种是内存
寻址
普通模式，(R)，相当于 Mem[Reg[R]]，也就是说寄存器 R 指定内存地址，类似于 C 语言中的指针，语法为：movq (%rcx), %rax 也就是说以 %rcx 寄存器中存储的地址去内存里找对应的数据，存到寄存器 %rax 中
移位模式，D(R)，相当于 Mem[Reg[R]+D]，寄存器 R 给出起始的内存地址，然后 D 是偏移量，语法为：movq 8(%rbp),%rdx 也就是说以 %rbp 寄存器中存储的地址再加上 8 个偏移量去内存里找对应的数据，存到寄存器 %rdx 中
举个交换两个数字的例子
前面的两种属于简单模式，完整的更通用的模式是这样的：
举个例子：%rdx 的存着的地址是 0xf000；%rcx 的存着的地址是 0x0100，那么有：
算术运算与逻辑运算
一条比较重要的指令是 leaq Src, Dst，其中 Src 是地址的表达式，然后把计算的值存入 Dst 指定的寄存器，也就是说，无须内存引用就可以计算，类似于 p = &x[i];
举个例子：
可以看到是直接对 %rdi 寄存器中存的地址所对应的内存里的数据进行操作。
一些常见的算术运算指令如下，注意参数的顺序，而且对于有符号和无符号数都是一样的：
更多的信息可以参考书籍和对应的文档。
再来看一个例子：
对应的语句和寄存器的值如下（确保弄明白整个过程）：
这一讲的内容到这里就这么多，其实还是需要比较多基础知识才好理解，尤其是汇编这部分，可以去网上找一下可视化的寄存器及内存数据交换过程看看，增加了解。