《Linux操作系统分析》之分析计算机如何启动以及如何工作运行

约定不等于承诺〃 2022-08-20 11:09 153阅读 0赞

从最初的 基于冯诺依曼思想：存储程序和顺序执行的原理 开始，计算机经历的快速的发展。经历了单核到多核，单任务到多任务。指令级操作也有了 单指令单数据、 单指令多数据。但是对于理解计算机可以化繁为简，理解单任务后，再分析多任务。

**计算机的启动**

首先我们从计算机的启动开始说起。先问一个问题，”启动”用英语怎么说？回答是boot。可是，boot原来的意思是靴子，”启动”与靴子有什么关系呢？ 原来，这里的boot是bootstrap（鞋带）的缩写，它来自一句谚语："pull oneself up by one's bootstraps"字面意思是”拽着鞋带把自己拉起来”，这当然是不可能的事情。最早的时候，工程师们用它来比喻，计算机启动是一个很矛盾的过程：必须先运行程序，然后计算机才能启动，但是计算机不启动就无法运行程序！早期真的是这样，必须想尽各种办法，把一小段程序装进内存，然后计算机才能正常运行。所以，工程师们把这个过程叫做”拉鞋带”，久而久之就简称为boot了。

计算机的整个启动过程分成四个阶段：

第一阶段：BIOS

第二阶段：主引导记录

第三阶段：硬盘启动

第四阶段：操作系统

至此，全部启动过程完成。（该段来自阮一峰的一篇博客： [计算机是如何启动的][Link 1]，每阶段启动详细内容请点击）

计算机的状态如下图所示：

![20160429100319650][]

在启动之初我们需要第一条指令，然后一直等待输入指令。那么第一条指令是什么时候输入的那。在BIOS中电脑在固定位置被写入了第一条指令。当第一条指令加载后，就可以执行后续的行为。

**计算机的工作**

在这里我们用下面的简单代码进行分析。

int g(int x)
    {
    	return x+100;
    }
    int f(int x)
    {
    	return g(x);
    }
    int main()
    {
    	return f(101)+110;
    }

然后在Linux环境下，生成汇编代码。先将所有指令放在这里，以便大家查看。

![20160429100324019][]

第一条：ls 列出主文件夹下内容。

第二条：cd code/…………/ 进入到我的实验的文件夹下。

第三条：touch main.c 创建新的文件：main.c

第四条：gedit main.c 编辑文件main.c

第五条：gcc main.c -o main 编译main.c生成main.out

第六条：objdump -d main > main.txt 反汇编生成汇编代码，保存在main.txt中

第七条：gcc -E main.c -o main.i 输出test.i文件中存放着test.c经预处理之后的代码

第八条：gcc -S main.i -o main.s 生成汇编代码，保存在main.s中

在这里第五、六条指令和第七、八条指令的效果是一样的。但是第七、八条指令生成的代码中需要手动删去不需要的代码，而经第五、六条指令生成的汇编代码是不需要这一步操作的。抽出main函数做个比较：

![20160429100328072][]

经过 第 七、八 条指令 生成的main函数的汇编码

![20160429100333019][]

经过 第五、六条指令 生成的main函数的汇编码

因此我建议使用第五、六条指令。

080483cb <g>:
     80483cb:	55                   	push   %ebp
     80483cc:	89 e5                	mov    %esp,%ebp
     80483ce:	8b 45 08           	mov    0x8(%ebp),%eax
     80483d1:	83 c0 64           	add    $0x64,%eax
     80483d4:	5d                   	pop    %ebp
     80483d5:	c3                   	ret    
    080483d6 <f>:
     80483d6:	55                   	push   %ebp
     80483d7:	89 e5                	mov    %esp,%ebp
     80483d9:	ff 75 08             	pushl  0x8(%ebp)
     80483dc:	e8 ea ff ff ff       	call   80483cb <g>
     80483e1:	83 c4 04           	add    $0x4,%esp
     80483e4:	c9                   	leave  
     80483e5:	c3                   	ret
    080483e6 <main>:
     80483e6:	55                   	push   %ebp
     80483e7:	89 e5                	mov    %esp,%ebp
     80483e9:	6a 65                	push   $0x65
     80483eb:	e8 e6 ff ff ff       	call   80483d6 <f>
     80483f0:	83 c4 04            	add    $0x4,%esp
     80483f3:	83 c0 6e           	add    $0x6e,%eax
     80483f6:	c9                   	leave  
     80483f7:	c3                   	ret

以上是main函数、g函数、f函数的汇编码。

在分析程序运行之前，我们先介绍一些相关的知识。

一、过程

一个过程调用包括将数据（以过程参数和返回值的形式）和控制从代码的一部分传递到另一个部分。另外，它还必须在进入时为过程的局部变量分配空间，并在退出时释放这些空间。数据传递、局部变量的分和释放通过操纵程序栈来实现。

二、栈帧结构

机器用栈来传递过程参数、存储返回信息、保存寄存器用语以后恢复，以及本地存储。为单个过程分配的那部分栈称为栈帧（stack frame）。栈帧的结构如下图：

![20160429100337473][]

栈帧的最顶端以两个指针界定，寄存器%ebp为帧指针，而寄存器%esp为栈指针。（参考深入理解计算机系统第三章3.7节）。

三、汇编指令

Call 地址：返回地址入栈（等价于“Push %eip，mov 地址，%eip”；注意eip指向下一条尚未执行的指令）

ret：从栈中弹出地址，并跳到那个地址（pop %eip）

leave：使栈做好返回准备，等价于 mov %ebp，%esp， pop %ebp

此时我们可以分析程序的运行过程了。我们的分析用图文结合的方式解释（图在下方）。最开始时程序计数器中存放着main函数的首地址：0X 080483e6 。即寄存器%eip中指向此处。然后开始顺序执行。

1.1、将%ebp的值压栈（%esp减4）。——————————————%ebp指向0的位置，%esp指向0的位置

1.2、将当前%esp赋值给%ebp。 ——————————————栈 无变化

1.3、将0X65压栈 （%esp减4） 。 —————————————— %ebp指向0的位置，%esp指向1的位置

1.4、使用call指令调用f函数。此时栈的变化是：将%eip（0X 80483f0 ）压栈 （%esp减4） ，将f的首地址（0X 080483e6 ）赋值给%eip。

———— —————————— %ebp指向0的位置，%esp指向2的位置

到此跳转到f函数执行。

2.1、 将%ebp的值压栈 （%esp减4） 。 —————————————— %ebp指向0的位置，%esp指向3的位置

2.2、 将当前%esp赋值给%ebp。 —————————————— %ebp指向3的位置，%esp指向3的位置

2.3、 pushl 0x8(%ebp)，此为间接寻址，将地址为%ebp+0X8的值取出压栈（即0X65压栈）。

—————————————— %ebp指向3的位置，%esp指向4的位置

2.4、 使用call指令调用g函数。此时栈的变化是：将%eip（0X 80483e1 ）压栈 （%esp减4） ，将g的首地址（0X 80483cb）赋值给%eip。

———— —————————— %ebp指向3的位置，%esp指向5的位置

到此跳转到g函数执行。

3.1、 将%ebp的值压栈 （%esp减4） 。 —————————————— %ebp指向3的位置，%esp指向6的位置

3.2、 将当前%esp赋值给%ebp。 —————————————— %ebp指向6的位置，%esp指向6的位置

3.3、 mov 0x8(%ebp),%eax， 此为间接寻址，将地址为%ebp+0X8的值取出给%eax（%eax=0X65）。

3.4、 add $0x64,%eax，即实现101+100这个动作。然后存储在%eax中。

3.5、此处没有使用leave指令，是因为此时的%ebp与% esp的地址相同。使用pop %ebp将调用者的ebp恢复即可 （%esp加4） 。

—————————————— %ebp指向3的位置，%esp指向5的位置

3.6、返回调用者函数。 此时栈的变化是：将%eip出栈 （%esp加4） ，将g的首地址（0X 80483cb）赋值给%eip。

—————————————— %ebp指向3的位置，%esp指向4的位置

到此返回到f函数，执行f函数剩余的指令。

2.5、 add $0x4,%esp，将esp加4。 —————————————— %ebp指向3的位置，%esp指向3的位置

2.6、 此处使用leave指令。 先将%ebp指向的地址给%esp，然后 恢复% ebp （%esp加4） 。

—————————————— %ebp指向0的位置，%esp指向2的位置

2.7、 返回调用者函数。 此时栈的变化是：将%eip出栈 （%esp加4） ，将f的首地址（0X 080483e6 ）赋值给%eip。

—————————————— %ebp指向0的位置，%esp指向1的位置

到此返回到main函数，执行main函数剩余的指令。

1.5 、 add $0x4,%esp，将esp加4。 —————————————— %ebp指向0的位置，%esp指向0的位置

1.6、 此处使用leave指令。 先将%ebp指向的地址给%esp，然后 恢复% ebp （%esp加4） 。

1.7、 返回调用者函数。 此时栈的变化是：将%eip出栈 （%esp加4） 。

![20160429100341285][]

上面的过程就是程序执行的过程。

**总结**

这里是大概的解释了一下计算机的工作过程。实际中的计算机系统的工作比这种单任务的要复杂。在多任务的情况下，进程切换的时候需要保存上下文环境以及恢复进程，以及各进程的调度等等。但是本质上没有多大的区别。最后如果大家看到有错误的地方，请指出。大家相互学习，共同进步！谢谢！

**备注**

杨峻鹏 + 原创作品转载请注明出处 + 《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000

[Link 1]: http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/02/booting.html
[20160429100319650]: /images/20220731/2d597a66800c4a13a1c983a754fb1b6b.png
[20160429100324019]: /images/20220731/0db962f45733453cb6e079b03ac61259.png
[20160429100328072]: /images/20220731/25e05c3a0201448da66b6c69f2ed628f.png
[20160429100333019]: /images/20220731/389dcc50d346486b822496b862e632c2.png
[20160429100337473]: /images/20220731/6719253904bb442da11c3d0488b21f49.png
[20160429100341285]: /images/20220731/474c2b8e86dd4bd8bee2de680139b695.png