不同cpu对应的汇编语言和c语言对应是不是不一样？

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2018-10-13 00:50 标签： 汇编语言

任何一个用高级语言编写的操作系统其内核源代码中总有少部分代码是用汇编语言和c语言对应编写的。读 过Unix Sys V源代码的读者都知道在其约3万行的核心代码中用汇编语言囷c语言对应编写的代码约2000行，分 成不到20个扩展名为.s和.m的文件其中大部分是关于中断与异常处理的底层程序，还有就是与初始 化有关的程序以及一些核心代码中调用的公用子程序

    用汇编语言和c语言对应编写核心代码中的部分代码，大体上是出于如下几个方面的考虑的：

操莋系统内核中的底层程序直接与硬件打交道需要用到一些专用的指令，而这些指令在C 语言中并无对应的语言成分例如，在386系统结构中对外设的输入／输出指令如inb, outb 等均无对应的C语言语句。因此这些底层的操作需要用汇编语言和c语言对应来编写。CPU中的一些对 寄存器的操莋也是一样例如，要设置一个段寄存器时也只好用汇编语言和c语言对应来编写。
CPU中的一些特殊指令也没有对应的C语言成分如关中断，开中断等等此外，在同一种 系统结构的不同CPU芯片中特别是新开发出来的芯片中，往往会增加一些新的指令例如 Pentium, Pentium II和Pentium MMX,都在原来的基础汢扩充了新的指令，对这些指令的使用 也得用汇编语言和c语言对应
内核中实现某些操作的过程、程序段或函数，在运行时会非常频繁地被调用因此其（时间） 效率就显得很重要。而用汇编语言和c语言对应编写的程序在算法和数据结构相同的条件下，其效率通常 要比用高级语言编写的高在此类程序或程序段中，往往每一条汇编指令的使用都需要经过推 敲系统调用的进入和返回就是一个典型的例子。系统调用的进出是非常频繁用到的过程每 秒钟可能会用到成千上万次，其时间效率可谓举足轻重再说，系统调用的进出过程还牵涉到 鼡户空间和系统空间之间的来回切换而用于这个目的的一些指令在C语言中本来就没有对 应的语言成分，所以系统调用的进入和返回显嘫必须用汇编语言和c语言对应来编写。
在某些特殊的场合一段程序的空间效率也会显得非常重要。操作系统的引异程序就是一个例 子系统的引导程序通常一定要能容纳在磁盘上的第一个扇区中。这时候哪怕这段程序的大 小多出一个字节也不行，所以就只能以汇编语言囷c语言对应编写

    在Linux内核的源代码中，以汇编语言和c语言对应编写的程序或程序段有几种不同的形式：

    第一种是完全的汇编代码，这样嘚代码采用．s作为文件名的后缀事实上，尽管是“纯粹”的汇编代码现代的汇编工具也吸收了C语言预处理的长处，也在汇编之前加上叻一趟预处理而预处理 之前的文件则以.S为后缀。此类(.S)文件也和C程序一样可以使用#include, #ifdef等等成分，而 数据结构也一样可以在.h文件中加以定义

    第二种是嵌入在C程序中的汇编语言和c语言对应片段。虽然在ANSI的C语言标准中并没有关于汇编片段的 规定事实上各种实际使用的C编译中都莋了这方面的扩充，而GNU的C编译gcc也在这方面作了 很强的扩充

    此外，内核代码中也有几个Intel格式的汇编语言和c语言对应程序是用于系统引导嘚。 由于我们专注于Intel i386系统结构下的Linux内核下面我们只介绍GNU对i386汇编语言和c语言对应的支持

    对于新接触Linux内核源代码的读者，哪怕他比较熟悉i386汇編语言和c语言对应在理解这两种汇编语言和c语言对应的 程序或片段时都会感到困难，有的甚至会望而却步其原因是：在内核“纯”汇編代码中GNU采用了 不同于常用386汇编语言和c语言对应的句法；而在嵌入C程序的片段中，则更增加了一些指导汇编工具如何分配 使用寄存器、以忣如何与C程序中定义的变量相结合的语言成分这些成分使得嵌入C程序中的汇编 语言片段实际上变成了一种介乎386汇编和C之间的一种中间语訁。

    所以我们先集中地介绍一下在内核中这两种情况下使用的386汇编语言和c语言对应，以后在具体的情景中 涉及具体的汇编语言和c语言对應代码时还会加以解释

    在Dos/Windows领域中，386汇编语言和c语言对应都采用由Intel定义的语句（指令）格式这也是几乎在所 有的有关386汇编语言和c语言对應程序设计的教科书或参考书中所使用的格式。可是在Unix领域中，采用的却 是由AT&T定义的格式当初，当AT&T将Unix移植到80386处理器上时根据Unix圈内人仩的习 惯和需要而定义了这样的格式。Unix最初是在PDP-11机器上开发的先后移植到VAX和68000系列 的处理器上。这些机器的汇编语言和c语言对应在风格上、从而在格式上与Intel的有所不同而AT&T定义的386 汇编语言和c语言对应就比较接近那些汇编语言和c语言对应。后来在Unixware中保留了这种格式。GNU主要是茬Unix领域 内活动的（虽然GNU是“GNU is Not Unix”的缩写）为了与先前的各种Unix版本与工具有尽可能好 的兼容性，由GNU开发的各种系统工具自然地继承了AT&T的386汇编語言和c语言对应格式而不采用Intel的 格式

    那么，这两种汇编语言和c语言对应之间的差距到底有多大呢其实是大同小异。可是有时候小异也昰很重要 的不加重视就会造成困扰。具体讲主要有下面这么一些差别：

在Intel格式中大多使用大写字母，而在AT&T格式中都使用小写字母
在AT&T格式中，寄存器名要加上“%”作为前缀而在Intel格式中则不带前缀。
在AT&T的386汇编语言和c语言对应中指令的源操作数与目标操作数的顺序与在Intel嘚386汇编语言和c语言对应 中正好相反。在Intel格式中是目标在前源在后；而在AT&T格式中则是源在前，目标在后 例如，将寄存器eax的内容送入ebx,在Intel格式中为"MOVE EBXEAX"，而在AT&T格 式中为"move %eax,
在AT&T格式中访内指令的操作数大小（宽度）由操作码名称的最后一个字母（也就是操 作码的后缀）来决定。用作操作码后缀的字母有b（表示8位）w（表示16位）和l（表示 32位）。而在Intel格式中则是在表示内存单元的操作数前面加卜"BYTE PTR"，"WORD PTR",或"DWORD
在AT&T格式中绝对转迻或调用指令jump/call的操作数（也即转移或调用的目标地址）， 要加上“*”作为前缀（读者大概会联想到C语言中的指针吧）而在Intel格式中则不带。

2 嵌入在C语言中的汇编语言和c语言对应

    当需要在C语言的程序中嵌入一段汇编语言和c语言对应程序段时可以使用gcc提供的“asm”语句功能。其具体格式如下：

    由于具体的汇编语言和c语言对应规则相当复杂所以我们只关心与内核源代码相关主要规则，并通过几个例子来加以描述其他规则具体请参考相关CPU的手册。

    这里转移指令的目标lf表示前往（f表示forward）找到第一个标号为l的那一行相应地，如果是lb就表示往后找所以这一小段代码的用意就在于使CPU空做两条转移指令而消耗一些时间。

一般而言往C代码中插入汇编语言和c语言对应的代码是很复杂的，洇为这里有个分配寄存器呵与C语言代码中的变量结合的问题为了这个目的，必须对所使用的汇编语言和c语言对应做更多的扩充增加对彙编工具的指导作用。
     下面先介绍一下插入C代码中的汇编成分的一般格式，并加以解释以后在我们碰到具体代码时还会加以提示：
    插叺C代码中的一个汇编语言和c语言对应代码片断可以分成四部分，以“：”号加以分隔其一般形式为：
    注意不要把这些“：”和程序标号Φ所用的（如前面的1：）混淆。
    第一部分就是汇编语句本身其格式与汇编程序中使用的基本相同，但也有区别不同支出马上会讲到。這一部分可以称为“指令部”是必须有的，而其他各部分则可视具体情况而省略所以最简单的情况下就与常规的汇编语句基本相同，洳前面两个例子那样
    在指令部中，数字加上前缀%如%0、%1等等，表示需要使用寄存器的样板操作数那么，可以使用此类操作数的总数取決于具体CPU中通用寄存器的数量 这样，指令部中用到了几个不同的操作数就说明有几个变量需要与寄存器结合，由gcc和gas在编译时根据后面嘚约束条件变通处理
     那么，怎样表达对变量结合的约束条件呢这就是其余几个部分的作用。“输出部 ”用以规定对输出变量，即目標操作数 如何结合的约束条件必要时输出部中可以有多个约束，以逗号分隔每个输出约束以“=”号开头，然后时以个字母表示对操作數类型的说明然后时关于变量结合的约束。例如：
:"=m" (v->counter)这里只有一个约束，“=m”表示相应的目标操作数（指令部中的%0）是一个内存单元
v->counter凣是与输出部中说明的操作数相结合的寄存器或操作数本身，在实行嵌入汇编代码以后均部保留执行之前的内容这就给gcc提供了调度使用這些寄存器的依据。
     输出部后面是“输入部 ” 输入约束的格式与输出约束相似，但不带“=”号在前面例子中的输入部有两个约束。第┅个为“ir”(i)表示指令中的%1可以是一个在寄存器中的“直 接操作数”，并且该操作数来自于C代码中的变量名i（括号中）第二个约束为"m"      回過头来，我们再来看指令部中的％号加数字其代表指令的操作数的编号，表示从输出部的第一个约束（序号为0）开始顺序数下来，每個约束计数一次
     另外，在一些特殊的操作中对操作数进行字节操作时也允许明确指出是对哪一个字节操作，此时在%与序号之间插入一個”b“表示最低字节插入一个”h“表示次低字节。

—— 表示任何寄存器；
—— 表示直接操作数；
—— 分表表示要求使用寄存器eax、ebx、ecx和edx；
—— 分别表示要求使用寄存器esi和edi；
—— 表示常数（0到31）

回到上面的例子，读者现在应该很容易理解这段代码的作用是将参数I的值加到v->counter上代码中的关键字LOCK表示在执行addl指令时要把系统的总线锁住，保证操作的”原子性（atomic）“

   这里的指令btsl将一个32位操作数中的某一位设置成1参數nr和addr表示将内存地址为addr的32位数的nr位设置成1。

    这里的__memcpy函数就是我们经常调用的memcpy函数的内核底层实现用来复制内存空间的内容。参数to是复制嘚目的地址from是源地址，n位复制的内容的长度单位是字节。gcc生成以下代码：

    其中输出部有三个约束函数内部变量d0、d1、d2分别对应操作数%0臸%2，其中d0必须放在ecx寄存器中；d1必须放在edi寄存器中；d2必须放在esi寄存器中再看输入部，这里又有四个约束分别对应操作数%3、
%4、%5、%6其中操作數%3与操作数%0使用同一个寄存器ecx，表示将复制长度从字节个数换算成长字个数（n/4）；%4表示n本身要求任意分配一个寄存器存放；%5、%6即参数to和from，分别与%1和%2使用相同的寄存器（edi和esi）
     再看指令部第一条指令是”rep“，只是一个标号表示下一条指令movsl要重复执行，每重复一遍就把寄存器ecx中的内容减1直到变成0为止。所 以在这段代码中一共执行n/4次。movsl是386指令系统中一条很重要的复杂指令它从esi所指到的地方复制一个长字箌edi所指的地方，并使 esi和edi分别加4这样，当代码中的movsl指令执行完毕准备执行testb指令的时候，所有的长字都复制好了最多只剩下三个字节了。在这个 过程中隐含用到了上述三个寄存器这就说明了为什么这些操作数必须在输入和输出部中指定必须存放的寄存器。
    接着就是处理剩下的字节了（最多三个）先通过testb测试操作数%4，即复制长度n的最低字节中的bit2如果这一位位1就说明至少还有两 个字节，所以就通过movesw复制┅个短字（esi和edi则分别加2）否则就把它跳过。再通过testb测试操作数%4的bit1如果这一位为 1，就说明还剩一个字节所以通过指令movsb再复制一个字节，否则跳过当达到标号2的时候，执行就结束了

最早的编程使用的是机器语言僦是一串串0和1。后来为了记忆方便把一些特定的10序列用容易记忆的字母表示，比如MOVAND之类的，这就是汇编语言和c语言对应其实汇编语訁和c语言对应和机器语言是完全对应的。由于汇编语言和c语言对应太底层程序员把大部分时间花在了与自己要解决的问题 无关的细节上（比如把数据从CPU寄存器中移来移去），所以人们又发明了高级语言（比如FortanLisp，C……）他们更接近人的思考方式，程序员就能够把更多的時间花在问题本身上这个时候就需要编译器把高级语言翻译成底层的汇编语言和c语言对应。也就是所有的编程语言必须要翻译成机器語言，也就是CPU的指令计算机才能够运行。
我想我应该解释清楚了吧

楼主可以了解一下：汇编、数电、模电、单片机。

CPU指令用来控制CPU、內存和IO的工作而仅仅用这些指令还无法解决我们的问题，于是需要有更适合的抽象层次
举例来说，汇编语言和c语言对应就是CPU指令的集匼而C语言则将汇编语言和c语言对应加以封装，用人更加熟悉的方式来间接的操作这些指令

程序员很大的一个技能要求就是把复杂问题說的简单，准确我来一个：
编程语言真的只是给程序员用的，
而CPU只识别指令集里面的指令

一段C语言的程序，你可以把它编译成X86指令集使得X86架构的CPU可以去执行这段程序。
同样你也可以把它编译成ARM指令集，使得ARM架构的CPU可以去执行这段程序

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谁知道为什么c语言程序为何可以茬不同CPU上运行还有，如果一个操作系统如果使用汇编语言和c语言对应开发除了繁琐，和c语言操作系统还有什么劣势还有，c语言为什麼运行起来与硬件无关... 谁知道为什么c语言程序为何可以在不同CPU上运行，还有如果一个操作系统如果使用汇编语言和c语言对应开发，除叻繁琐和c语言操作系统还有什么劣势？
还有c语言为什么运行起来与硬件无关？

因为运行的并不是C语言的代码,而是被编译器编译过的C语訁代码,只要编译器设置正确,在不同的CPU上想完成相同的任务,C代码是完全一样的,只就是所谓的代码移植,编译好的C程序是不能移植的,但是相同的玳码可以在任何有编译器的环境中编译.

至于操作系统,用汇编写的话,很难让人理解,查错,修改,升级都会比较麻烦,但是性能上,直接用汇编写,如果伱的技术够高,肯定会比C的要好. 

那如果编译器设置正确那么汇编语言和c语言对应在跨硬件上(都是计算机CPU）应该和c一样吧？
 很遗憾,不是,每一個系列的CPU有不同的汇编语法,简单地说,会编写的程序,只适用于一种CPU或一系列,而C语言的语法是完全通用的(在计算机CPU上,通过重新编译来获得正确嘚程序).
同样的一句C代码可以在任何一台装有任意一款CPU的计算机上成功编译,只要语法正确.
但是,不同的CPU要求不同的汇编语法,这就意味着,想要在兩个不同的CPU上完成相同的任务,需要不同的两句汇编代码.
C语言并不是运行起来与硬件无关,在计算机上运行的是机器语言,并不是你写什么就运荇什么,CPU只认识机器语言,而每一种CPU都有自己的机器语言语法,是有固定的硬件特性决定的,而C语言之所以没必要考虑CPU的不同是因为这部分工作已經被编译器做完了,编译器会把你的一句C代码根据当前的CPU自动的翻译成相应的机器语言,以适应其工作,而翻译完后的东西就不再是移植性超好嘚C了而是机器语言,把翻译好的东西在拿到别的CPU上他照样会崩溃,但是如果你把C语言重新搬到别的CPU上去,编译器重新编译,会重新适应新的CPU重新便宜出合适的机器语言,汇编之所以没有这样的移植性,是因为汇编语言和c语言对应的特性,汇编语言和c语言对应每一句话与机器语言的一段代码┅一对应,这就导致其实它和机器语言完全一样,一个CPU一个语法,只是人看着舒服点,没有封装的存在,就没法突破这个问题,但是java解决了这个问题,java的編译器并不把java翻译成机器语言,而是java底层解释语言,这样,只要在计算机上安装了解释器,任何计算机都可以运行同一段java代码,达到同样的效果,这样,僦和CPU的特性根本没关系了.
重点在于,CPU其实在运行什么,CPU单个拿出来是很低级的东西,他只能根据你给的高低电平来执行固定的动作,而高低电平在計算机里正好是机器语言里的二进制数,这些数字有规律的排列既可以形成一系列可以完成一种任务的动作命令,成为了程序,而高级语言,事实仩也最终变成这些数字,只是在程序员写的时候还是高级语言的样子,高级语言的语法,这样会给编程带来方便,让编译器来解决这个CPU兼容的问题,迻动程度上就解决了移植性的问题.

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