深入浅出计算机组成原理学习笔记：第六讲
一、CPU 是如何执行指令的？
1、软件程序员的理解
写好的代码变成了指令之后、是一条条顺序执行的就可以了
2、CPU的逻辑组成
3、寄存器
N 个触发器或者锁存器，就可以组成一个 N 位（Bit）的寄存器，能够保存 N 位的数据。比方说，我们用的 64 位 Intel 服务器，寄存器就是 64 位的。
4、特殊寄存器
5、CPU执行指令流程
1、CPU会根据PC寄存器里的地址，从内存里面把需要执行的指令读取到指令寄存器里面直面执行
2、然后根据指令长度自增、开始顺序读取下一条指令。可以看到一个程序的一条条指令在内存里面是连续保存的。也会一条条顺序加载
3、而有些特殊指令(J类跳转指令)、会修改寄存器里面的地址
4、这样下一条要执行的指令就不是从内存里面顺序加载的
5、事实上、这些跳转指令存在，也就是我们在写程序的时候，使用了 if…else 条件语句和 while/for 循环语句的原因
二、从 if…else 来看程序的执行和跳转
[root@luoahong c]# cat test.c
#include <time.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
srand(time(NULL));
int r = rand() % 2;
int a = 10;
if (r == 0)
{
a = 1;
} else {
a = 2;
}
我们用 rand 生成了一个随机数 r，r 要么是 0，要么是 1。当 r 是 0 的时候，我们把之前定义的变量 a 设成 1，不然就设成 2。
[root@luoahong c]# gcc -g -c test.c
test.c: In function ‘main’:
test.c:15:3: error: expected declaration or statement at end of input
}
^
[root@luoahong c]# cat -n test.c
1 #include <time.h>
2 #include <stdlib.h>
3
4
5 int main()
6 {
7 srand(time(NULL));
8 int r = rand() % 2;
9 int a = 10;
10 if (r == 0)
11 {
12 a = 1;
13 } else {
14 a = 2;
15 }
执行报错，是因为少了一个}
[root@luoahong c]# cat test.c
#include <time.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
srand(time(NULL));
int r = rand() % 2;
int a = 10;
if (r == 0)
{
a = 1;
} else {
a = 2;
}
}
[root@luoahong c]# gcc -g -c test.c
[root@luoahong c]# objdump -d -M intel -S test.o
test.o: file format elf64-x86-64
Disassembly of section .text:
0000000000000000 <main>:
#include <time.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
0: 55 push rbp
1: 48 89 e5 mov rbp,rsp
4: 48 83 ec 10 sub rsp,0x10
srand(time(NULL));
8: bf 00 00 00 00 mov edi,0x0
d: e8 00 00 00 00 call 12 <main+0x12>
12: 89 c7 mov edi,eax
14: e8 00 00 00 00 call 19 <main+0x19>
int r = rand() % 2;
19: e8 00 00 00 00 call 1e <main+0x1e>
1e: 99 cdq
1f: c1 ea 1f shr edx,0x1f
22: 01 d0 add eax,edx
24: 83 e0 01 and eax,0x1
27: 29 d0 sub eax,edx
29: 89 45 fc mov DWORD PTR [rbp-0x4],eax
int a = 10;
2c: c7 45 f8 0a 00 00 00 mov DWORD PTR [rbp-0x8],0xa
if (r == 0)
33: 83 7d fc 00 cmp DWORD PTR [rbp-0x4],0x0
37: 75 09 jne 42 <main+0x42>
{
a = 1;
39: c7 45 f8 01 00 00 00 mov DWORD PTR [rbp-0x8],0x1
40: eb 07 jmp 49 <main+0x49>
} else {
a = 2;
42: c7 45 f8 02 00 00 00 mov DWORD PTR [rbp-0x8],0x2
}
}
49: c9 leave
4a: c3 ret
可以看到，这里对于 r == 0 的条件判断，被编译成了cmp 和 jne 这两条指令。cmp 指令比较了前后两个操作数的值，这里的 DWORD PTR 代表操作的数据类型是 32 位的整数
而 [rbp-0x4] 则是一个寄存器的地址。所以，第一个操作数就是从寄存器里拿到的变量 r 的值。第二个操作数 0x0 就是我们设定的常量 0 的 16 进制表示。cmp 指令的比较结果，会存入到条件码寄存器当中去。
在这里，如果比较的结果是 True，也就是 r == 0，就把零标志条件码（对应的条件码是 ZF，Zero Flag）设置为 1。除了零标志之外，Intel 的 CPU 下还有进位标志（CF，Carry Flah）
符号标志（SF，Sign Flag）以及溢出标志（OF，Overflow Flag），用在不同的判断条件下。
cmp 指令执行完成之后，PC 寄存器会自动自增，开始执行下一条 jne 的指令。
三、如何通过 if…else 和 goto 来实现循环？
[root@luoahong c]# cat test.c
int main()
{
int a = 0;
for (int i = 0; i < 3; i++)
{
a += i;
}
}
[root@luoahong c]# gcc -g -c test.c
test.c: In function ‘main’:
test.c:4:5: error: ‘for’ loop initial declarations are only allowed in C99 mode
for (int i = 0; i < 3; i++)
^
test.c:4:5: note: use option -std=c99 or -std=gnu99 to compile your code
错误：使用gcc编译代码会报错：
原因：这是因为gcc是基于c89标准，不能直接在for循环中初始化增量。而C99标准可以在for循环内定义变量。
解决方法：
我们再看一段简单的利用 for 循环的程序。我们循环自增变量i 三次，三次之后，i>=3，就会跳出循环。整个程序，对应的 Intel 汇编代码就是这样的：
[root@luoahong c]# objdump -d -M intel -S test.o
test.o: file format elf64-x86-64
Disassembly of section .text:
0000000000000000 <main>:
int main()
{
0: 55 push rbp
1: 48 89 e5 mov rbp,rsp
int a = 0;
4: c7 45 fc 00 00 00 00 mov DWORD PTR [rbp-0x4],0x0
int i;
for (i = 0; i < 3; i++)
b: c7 45 f8 00 00 00 00 mov DWORD PTR [rbp-0x8],0x0
12: eb 0a jmp 1e <main+0x1e>
{
a += i;
14: 8b 45 f8 mov eax,DWORD PTR [rbp-0x8]
17: 01 45 fc add DWORD PTR [rbp-0x4],eax
for (i = 0; i < 3; i++)
1a: 83 45 f8 01 add DWORD PTR [rbp-0x8],0x1
1e: 83 7d f8 02 cmp DWORD PTR [rbp-0x8],0x2
22: 7e f0 jle 14 <main+0x14>
}
}
24: 5d pop rbp
25: c3 ret
可以看到，对应的循环也是用 1e 这个地址上的 cmp 比较指令，和紧接着的 jle 条件跳转指令来、实现的。主要的差别在于，这里的 jle 跳转的地址，在这条指令之前的地址 14，而非 if…else 编
译出来的跳转指令之后。往前跳转使得条件满足的时候，PC 寄存器会把指令地址设置到之前执行过的指令位置，重新执行之前执行过的指令，直到条件不满足，顺序往下执行 jle 之后的指令，整个循环才结束。
其实，你有没有觉得，jle和jmp指令，有点像逻辑程序里面的goto命令，直接指定了一个特定条件下的跳转位置
