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程序的机器级表示 ​

2020-2021-2 计算机系统

控制 ​

处理器状态 ​

• 当前运行运行程序的相关信息：
  • 临时数据（%eax等通用寄存器）；
  • 运行栈帧的地址（%ebp，%esp）；
  • 即将要执行的指令地址（%eip……）；
  • 标志位（CF、ZF、SF、OF）。

条件码 ​

• 每个条件码占一个bit：
  • CF：最高位产生进位、无符号操作数的溢出；
  • SF：符号标志，操作结果为负数（有符号数a - b < 0）；
  • ZF：零标志；
  • OF：有符号数溢出。

通过条件码可以确定状态。

跳转指令 ​

条件跳转 ​

cmp	a, b
jx	xxx

C语言的goto与之类似。

分支跳转 ​

条件传送 ​

先计算一个条件操作的两个结果，然后根据条件选择某一个。

与条件跳转比较 ​

C Code：

int comvdiff(int x, int y)
{
  int tval = y-x;
  int rval = x-y;
  int test = x < y;
  if (test) rval = tval;
  result rval;
}

条件传送：

comvdiff:
movl	8(%ebp), %ecx
movl	12(%ebp), %edx
movl	%edx, %ebx
subl	%ecx, %ebx
movl	%ecx, %eax
subl	%edx, %eax
cmpl	%edx, %ecx
cmovl	%ebx, %eax

条件跳转：

absdiff:
pushl	%ebp
movl	%esp, %ebp
movl	8(%ebp), %edx
movl	12(%ebp), %eax
cmpl	%eax, %edx
jle 	.L6
subl	%eax, %edx
movl	%edx, %eax
jmp 	.L7
.L6:
subl	%edx, %eax
.L7:
popl	%ebp
ret

避免了跳转指令，CPU无需做分支预测，避免预测错误的代价；流水线效率更高。（优化编译）

注意 ​

1. 计算代价
   • 两个计算过程都要执行；
   • 一般只有当两个计算过程都比较简单的时候才能发挥优势；
   • val = Test(x)? Hard1(x) : Hard2(x);
2. 非法操作
   • 在p为0的时候，仍然会去引用 *p，从而产生非法操作；
   • val = p? *p : 0;
3. 副作用
   • 两个表达式都进行了计算；
   • 产生了意料之外的赋值过程。
   • val= x > 0? x*=7 : x+=3;

do-while循环 ​

例：

int pcount_do(unsigned x) {
  int result = 0;
  do {
    result += x & 0x1;
    x >>= 1;
  } while (x);
  return result;
}

movl	$0,%ecx		# result = 0
.L2:				# loop
movl	%edx,%eax
andl	$1,%eax		# t = x & 1
addl	%eax,%ecx	# result += t
shrl	%edx		# x >> 1
jne		.L2			# if !0, goto loop

while循环 ​

while和do-while：

• 都是条件测试失败退出循环
• do-while循环至少执行一次循环体

for循环 ​

switch语句与跳转表 ​

switch-case

当case数大于4且case间间隔小于13时会使用跳转表，否则使用cmp-jmp式的跳转。

跳转表例：

.section .rodata
.align 4
.L4:
.long .L8
.long .L3
.long .L5
.long .L9
.long .L8
.long .L7
.long .L7

该跳转表基址为.L4，在汇编代码中跳转的指令是这样的：jmp *.L4(,%eax,4)，每个地址占4个字节。

过程 ​

栈帧 ​

机器用栈来传递过程参数、存储返回信息、保存寄存器用于以后恢复，以及本地存储。而为单个过程分配的那部分栈称为栈帧（stack frame）。

每一个函数或过程在执行时，都需要在内存中分配一个空间来保存运行时数据，这个空间由于是采用栈的方式进行操作，所以也称为栈帧。

• 当前函数或过程的栈顶地址保存在 %esp 中，栈底地址保存在 %ebp 中；
• 栈是向“下”增长的，或者说是向地址 0x0 处增加的，因此 %esp 中的值小于或等于 %ebp 中的值；
• 栈帧是内存中一段连续的内存空间；
• 被调用者的栈帧紧挨着调用者的栈帧；
• 待补充。

数据 ​

数组 ​

T A[L]

• type L，length L；
• 在内存中连续分配 L*sizeof(T) 个字节；
• 标识符 A可用于表示数组的首地址，也可以通过 Type T*转换成数组首地址。

连续声明的数组一般也是连续分配。

结构、联合