“Linux内核分析”实验一报告

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实验要求：

1、总结部分要求阐明自己对“计算机是如何工作的”理解；

2、博客中需要使用实验截图；

实验内容：

1、阐述计算机是如何工作的；

2、分析汇编代码的工作过程中堆栈的变化；

一、冯诺依曼体系结构

冯诺依曼体系结构是现代计算机的基础，现在大多计算机仍是冯诺依曼计算机的组织结构，只是作了一些改进而已，并没有从根本上突破冯体系结构的束缚。

根据冯·诺依曼体系结构构成的计算机，必须具有如下功能：

把需要的程序和数据送至计算机中。

必须具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力。

能够完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力。

能够根据需要控制程序走向，并能根据指令控制机冯· 诺依曼体系结构器的各部件协调操作。

能够按照要求将处理结果输出给用户。

冯诺依曼体系结构有以下三条特点：

(1)计算机处理的数据和指令一律用二进制数表示。

(2)顺序执行程序。

(3)计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。

二、实验代码

源C代码如下：
int g(int x)


{


return x + 5;

}


int f(int x)


{


return g(x);


}


int main(void)


{

return f(21) + 5;


}
通过实验楼的已搭建好的 64 位 Linux 虚拟机环境，采用如下命令编译汇编代码：

gcc -S -o main.s main.c -m32


其中，-S表示生成为汇编代码；

-m32表示生成的汇编程序是32位的；

汇编程序后缀为.s

使用上条命令汇编出的main.s文件代码如下：

.file "main.c"
.text
.globl g
.type g, @function
g:
.LFB0:
.cfi_startproc
pushl %ebp
.cfi_def_cfa_offset 8
.cfi_offset 5, -8
movl %esp, %ebp
.cfi_def_cfa_register 5
movl 8(%ebp), %eax
addl $5, %eax
popl %ebp
.cfi_restore 5
.cfi_def_cfa 4, 4
ret
.cfi_endproc
.LFE0:
.size g, .-g
.globl f
.type f, @function
f:
.LFB1:
.cfi_startproc
pushl %ebp
.cfi_def_cfa_offset 8
.cfi_offset 5, -8
movl %esp, %ebp
.cfi_def_cfa_register 5
subl $4, %esp
movl 8(%ebp), %eax
movl %eax, (%esp)
call g
leave
.cfi_restore 5
.cfi_def_cfa 4, 4
ret
.cfi_endproc
.LFE1:
.size f, .-f
.globl main
.type main, @function
main:
.LFB2:
.cfi_startproc
pushl %ebp
.cfi_def_cfa_offset 8
.cfi_offset 5, -8
movl %esp, %ebp
.cfi_def_cfa_register 5
subl $4, %esp
movl $21, (%esp)
call f
addl $5, %eax
leave
.cfi_restore 5
.cfi_def_cfa 4, 4
ret
.cfi_endproc
.LFE2:
.size main, .-main
.ident "GCC: (Ubuntu 4.8.2-19ubuntu1) 4.8.2"
.section .note.GNU-stack,"",@progbits


其中，实际被程序执行的代码如下：

g:
pushl %ebp
movl %esp, %ebp
movl 8(%ebp), %eax
addl $5, %eax
popl %ebp
ret
f:
pushl %ebp
movl %esp, %ebp
subl $4, %esp
movl 8(%ebp), %eax
movl %eax, (%esp)
call g
leave
ret
main:
pushl %ebp
movl %esp, %ebp
subl $4, %esp
movl $21, (%esp)
call f
addl $5, %eax
leave
ret



三、汇编代码分析

首先从 main 函数开始：

pushl %ebp
movl %esp, %ebp


表示将基底指针压栈，然后把栈顶指针的值赋给基底指针。

subl $4, %esp
movl $21, (%esp)


由于栈是由高地址向低地址扩展，在 32 位操作系统系统上，每个栈元素为 4 个字节，所以栈顶指针减 4表示栈顶指针减了一个单位（即向下拓展一个单位）；

同时，采用立即数寻址的方式，把21 存入栈顶指针所指向的位置。

call f

call 指令调用函数 f 执行，

call指令，相当于pushl %eip movl $f, %eip

即：首先将当前 %eip 的值压栈保存，然后将f地址赋给eip。

函数 f 类似于main函数，f继续调用g函数。在g函数中，eax的值要增加5 ，然后 popl 出栈返回到先前函数 f 中 call 指令保存执行指令地址。

addl $5, %eax
popl %ebp


函数g返回后，函数 f 的下一条指令 leave 相当于：

movl %ebp, %esp
popl %ebp


它将函数堆栈恢复到当前函数被调用前的状态。

然后执行ret指令，函数返回。

函数 f 返回后，函数 main 的下一条指令将 eax中的值加5，然后再leave恢复堆栈状态，ret返回。

四、总结

计算机的基本工作原理是美籍匈牙利科学家冯`诺依曼于1946年首先提出来的。