《深入浅出计算机组成原理》原理篇（二）笔记

　　这篇的标题是：指令跳转：原来if...else就是goto，收益颇多的就是指令跳转和寄存器之间密不可分的联系。一下是笔记，可随便看看。

　　指令的执行在程序员的角度来说：只要了解代码写好变成指令后，是一条一条顺序执行的就可。但真实执行是非常复杂的，这些复杂的过程都是由CPU在软件层面为我们做好封装的。

　　逻辑上，我们可以认为，CPU其实就是由一堆寄存器组成的，而寄存器就是CPU内部，由多个触发器或者锁存器组成的简单电路。（注：触发器或者锁存器，其实就是两种不同原理的数字电路组成的逻辑门，有兴趣可专门研究。）

　　N个触发器或者锁存器，就可以组成一个N bit（位）的寄存器，可保存N位（bit）的数据。例：64位的Intel服务器，寄存器就是64位的。

　　上图可得：一个CPU里面会有很多种不同功能的寄存器，有三种较为特殊的，稍作解释：

　　1、PC寄存器（Program Counter Register），也称指令地址寄存器（Instruction Adress Register），顾名思义，它的作用就是存储下一条需要执行的计算机指令的内存地址。

　　2、指令寄存器（Instruction Register）：用来存储当前正在执行的指令。

　　3、条件码寄存器（status Register）：用寄存器种的标记位（Flag）来存放CPU进行算术运算或者逻辑计算的结果值。

　　除了以上三个特殊的寄存器，CPU还有很多用来存储数据和地址的寄存器。例如：整数寄存器，浮点数寄存器，向量寄存器和地址寄存器等等。有一些寄存器既可以存放数据，又可以存储地址，可称之为：通用寄存器。

　　实际上，一个程序执行的时候呢，CPU会根据PC寄存器里的地址，从内存中将需要执行的指令读取到指令寄存器中执行，然后根据指令长度自增，开始顺序读取下一条指令即可。可以看出，一个程序的每条指令，在内存中是连续保存的，也是一条条顺序加载执行的。

　　当然，有特殊指令的存在，例如：J类指令，也称之位跳转指令，会修改PC寄存器里面的地址值。如此一来，下一条要执行的指令就不是从内存中顺序加载的了，事实上，这些跳转指令的存在，是因为我们程序使用了if...else条件语句和while/for循环语句导致的。

　　从if...else来看程序的执行和跳转：

　　e.g：

　　

// 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;
  } 

//条件语句对应的汇编代码：

　　if (r == 0) 
3b: 83 7d fc 00 cmp DWORD PTR [rbp-0x4],0x0 
3f: 75 09 jne 4a <main+0x4a>
　　{ 
　　　　a = 1; 
41: 　 c7 45 f8 01 00 00 00 mov DWORD PTR [rbp-0x8],0x1 
48:    eb 07 jmp 51 <main+0x51>
　　} else { 
　　　　a = 2; 
4a:    c7 45 f8 02 00 00 00 mov DWORD PTR [rbp-0x8],0x2 
51:    b8 00 00 00 00 mov eax,0x0 
　　}

　　cmp：比较前后两个操作数的值

　　DWORD PTR：代表操作的数据类型是32位的整数

　　[rbp-0x4]：一个寄存器的地址

　　代码中可以看出：r == 0 被编译成cmp 和 jne这两个指令，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，若比较的结果是 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：

　　　　1、进位标志（CF，Carry Flag）、

　　　　2、符号标志（SF，Sign Flag）、

　　　　3、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。

　　jne指令：jump if not equal,如果 r==0 那么就会把零标志条件码 （Zero Flag） 设置为1 。如果 Zero Flag 是 0 那么就表示if 为 false 所有就会跳转到4a、如果发生了跳转那么PC寄存器的下一条指令地址就变成了4a 然后再把他加载到指令寄存器中来执行。

　　

int main()
{
    int a = 0;
    for (int i = 0; i < 3; i++)
    {
        a += i;
    }
}
//汇编代码

　　for (int i = 0; i <= 2; i++)
 b: c7 45 f8 00 00 00 00 mov DWORD PTR [rbp-0x4],0x0

12: eb 0a jmp 1e
　　{
　　　　a += i;
14: 　 8b 45 f8 mov eax,DWORD PTR [rbp-0x4]
17: 　 01 45 fc add DWORD PTR [rbp-0x8],eax

1a: 　 83 45 f8 01 add DWORD PTR [rbp-0x4],0x1
1e: 　 83 7d f8 02 cmp DWORD PTR [rbp-0x4],0x2
22: 　 7e f0 jle 14
24: 　 b8 00 00 00 00 mov eax,0x0
　　}

　　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，jle 和 jmp 指令，有点像程序语言里面的 goto 命令，直接指定了一个特定条件下的跳转位置。虽然我们在用高级语言开发程序的时候反对使用 goto，但是实际在机器指令层面，无论是 if…else…也好，还是 for/while 也好，都是用和 goto 相同的跳转到特定指令位置的方式来实现的。

　　en~~~~~

　　今天就到这儿了，拜拜