汇编语言入门：从寄存器、堆栈到指令执行揭秘计算机底层机制

我们平时编写的C、C++、Java等代码属于高级语言，虽然我们人类能轻松理解，但计算机却需要通过“翻译”才能读懂。这些代码必须经过编译器转换成二进制指令，CPU才能执行。

反之，我们学会了高级语言，并不意味着理解了计算机实际的运行步骤。

计算机真正能够理解的是低级语言，它专门用来控制硬件。汇编语言就是低级语言，它直接描述并控制CPU的运行。如果你想了解CPU到底执行了哪些操作，以及代码的精确运行步骤，学习汇编语言是必经之路。

汇编语言本身并不易学，甚至连清晰简明的入门资料都难以寻觅。本文尝试用最易懂的方式，为你解释CPU是如何执行代码的。

一、汇编语言是什么？

我们知道，CPU只负责计算，本身不具备智能。你输入一条指令，它就运行一次，然后停下来，等待下一条指令。

这些指令都是二进制的，称为操作码，例如加法指令可能就是00000011。编译器的作用，正是将高级语言编写的程序，翻译成一条条这样的操作码。

对人类而言，二进制程序是不可读的，我们根本无法直观看出机器做了什么。为了解决可读性问题，以及满足偶尔的编辑需求，汇编语言便应运而生。

“汇编语言是二进制指令的文本形式”，它与机器指令是一一对应的关系。例如，加法指令00000011写成汇编语言就是ADD。只要将其还原成二进制，汇编语言就可以被CPU直接执行，因此它是最底层的低级语言。

二、来历

最早的时候，编写程序就是手写二进制指令，然后通过各种开关输入计算机。后来，发明了纸带打孔机，通过在纸带上打孔来输入指令。

为了解决二进制指令的可读性问题，工程师曾将指令写成八进制，但可读性依然不佳。很自然地，最后发展为用文字表达，比如加法指令写成ADD，内存地址也用标签表示。

这样一来，就多出一个将文字指令翻译回二进制的步骤，这个步骤称为assembling，完成该步骤的程序叫做assembler。它处理的文本自然就叫做assembly code，标准化后称为assembly language，缩写为asm，中文译为汇编语言。

每一种CPU的机器指令集都是不同的，因此对应的汇编语言也不一样。 本文介绍的是目前最常见的x86汇编语言，即Intel公司CPU使用的那一种。

三、寄存器

学习汇编语言，首先必须了解两个核心概念：寄存器和内存模型。

先来看寄存器。CPU本身只负责运算，不负责储存数据。数据通常储存在内存中，CPU需要时再去读写。

但是，CPU的运算速度远高于内存的读写速度。为了避免被拖慢，CPU都自带一级和二级缓存，可以看作是速度较快的内存。

然而，CPU缓存仍然不够快，且数据在缓存中的地址不固定，每次寻址也会影响速度。

因此，除了缓存，CPU还自带了寄存器，用来储存最频繁使用的数据。 也就是说，那些被高频读写的数据（比如循环变量），会放在寄存器里。CPU优先读写寄存器，再由寄存器与内存交换数据，这样效率最高。

寄存器不依靠地址区分数据，而是依靠名称。每个寄存器都有自己的名字，我们告诉CPU去哪个具体的寄存器拿数据，速度是最快的。有人将寄存器比喻为CPU的“零级缓存”。

四、寄存器的种类

早期的x86 CPU只有8个寄存器，且各有专用。现在的寄存器数量已过百，大多变成了通用寄存器，但早期寄存器的名字被保留了下来。

• EAX
• EBX
• ECX
• EDX
• EDI
• ESI
• EBP
• ESP

上述8个寄存器中，前七个都是通用的。ESP寄存器有特定用途，用于保存当前栈的地址（详见下一节）。

我们常听到32位CPU、64位CPU的说法，其实指的就是寄存器的大小。32位CPU的寄存器大小就是4字节。

五、内存模型：Heap

寄存器只能存放少量数据，大多数时候，CPU需要指挥寄存器直接与内存交换数据。因此，除了寄存器，还必须理解内存如何储存数据。

程序运行时，操作系统会分配一段内存，用于储存程序代码和运行产生的数据。这段内存有起始地址和结束地址。

程序运行中，对于动态的内存请求（如新建对象，或使用malloc命令），系统会从预先分配的内存中划出一部分。规则是从起始地址开始分配。

例如，用户请求10字节内存，则从起始地址0x1000分配到0x100A；再请求22字节，则接着分配到0x1020。

这种因用户主动请求而划分出的内存区域，叫做 Heap（堆） 。它从起始地址开始，由低位地址向高位地址增长。Heap的一个重要特点是不会自动消失，必须手动释放，或由垃圾回收机制回收。

六、内存模型：Stack

除了Heap，其他内存占用称为 Stack（栈） 。简单说，Stack是由于函数运行而临时占用的内存区域。

请看下面的例子。

int main()
{
    int a = 2;
    int b = 3;
}

上面代码中，系统开始执行main函数时，会为它在内存中建立一个帧，所有main的内部变量（a和b）都保存在这个帧里。main函数执行结束后，该帧被回收，内部变量占用的空间也随之释放。

如果函数内部调用了其他函数呢？

int main()
{
   int a = 2;
   int b = 3;
   return add_a_and_b(a, b);
}

上面代码中，main函数调用了add_a_and_b函数。执行到这一行时，系统也会为add_a_and_b新建一个帧，储存它的内部变量。此时，同时存在两个帧：main和add_a_and_b。一般来说，调用栈有多少层，就有多少帧。

等到add_a_and_b运行结束，它的帧被回收，系统回到main函数刚才中断的地方继续执行。通过这种机制，实现了函数的层层调用，且每一层都能使用自己的本地变量。

所有的帧都存放在Stack中。由于帧是一层层叠加的，所以叫“栈”。生成新的帧叫“入栈”（push）；栈的回收叫“出栈”（pop）。Stack的特点是，最晚入栈的帧最早出栈（最内层的函数调用最先结束），这就是“后进先出”的数据结构。

每一次函数执行结束，就自动释放一个帧；所有函数执行完毕，整个Stack就都释放了。

Stack是从内存区域的结束地址开始，从高位地址向低位地址分配。例如，内存结束地址是0x8000，第一帧占16字节，则下一帧从0x7FF0开始；第二帧占64字节，则地址移动到0x7FB0。

七、CPU 指令

7.1 一个实例

了解了寄存器和内存模型，现在可以看看汇编语言的具体模样了。下面是一个简单程序example.c。

int add_a_and_b(int a, int b) {
   return a + b;
}

int main() {
   return add_a_and_b(2, 3);
}

使用gcc将其转换为汇编语言。

$ gcc -S example.c

该命令会生成一个文本文件example.s，里面就是汇编语言，包含几十行指令。一个高级语言的简单操作，底层可能由几个甚至几十个CPU指令构成。CPU依次执行这些指令，完成该操作。

example.s简化后大致如下：

_add_a_and_b:
   push   %ebx
   mov    %eax, [%esp+8]
   mov    %ebx, [%esp+12]
   add    %eax, %ebx
   pop    %ebx
   ret

_main:
   push   3
   push   2
   call   _add_a_and_b
   add    %esp, 8
   ret

可以看到，原程序的两个函数对应两个标签_add_a_and_b和_main。每个标签内是该函数转换成的CPU运行流程。

每一行是CPU执行的一次操作，又分为两部分。以其中一行为例：

push   %ebx

这里，push是CPU指令，%ebx是该指令用到的运算子。一个CPU指令可以有零到多个运算子。

下面我们逐行讲解这个汇编程序。

7.2 push 指令

根据约定，程序从_main标签开始执行。这时会在Stack上为main建立一个帧，并将Stack栈顶地址写入ESP寄存器。之后要写入main帧的数据，都会放在ESP寄存器保存的地址。

然后，开始执行第一行代码。

push   3

push指令用于将运算子放入Stack，这里就是将3写入main帧。

看似简单，push指令有一个前置操作：它会先取出ESP寄存器里的地址，将其减去4个字节，再将新地址写回ESP寄存器。

使用减法是因为Stack从高地址向低地址发展；减4字节是因为3是int类型，占4字节。得到新地址后，3会被写入这个地址开始的四个字节。

push   2

第二行类似，push指令将2写入main帧，紧挨着前面写入的3。这时，ESP寄存器的值会再减去4字节（累计减去8）。

7.3 call 指令

第三行的call指令用来调用函数。

call   _add_a_and_b

上面的代码表示调用add_a_and_b函数。程序会去找_add_a_and_b标签，并为该函数建立一个新的帧。

接着开始执行_add_a_and_b的代码。

push   %ebx

这行表示将EBX寄存器里的值，写入_add_a_and_b帧。这是因为后面要用到这个寄存器，所以先把当前值保存起来，用完后再恢复。push指令会再将ESP寄存器的地址减去4字节（累计减去12）。

7.4 mov 指令

mov指令用于将一个值写入某个寄存器。

mov    %eax, [%esp+8]

这行代码表示：先将ESP寄存器里的地址加上8字节，得到一个新地址，然后按照这个地址从Stack取出数据。根据前面的步骤，可以推算出这里取出的是2，再将2写入EAX寄存器。

下一行代码做类似操作。

mov    %ebx, [%esp+12]

上面的代码将ESP寄存器的值加12字节，然后按此地址从Stack取出数据3，将其写入EBX寄存器。

7.5 add 指令

add指令用于将两个运算子相加，并将结果写入第一个运算子。

add    %eax, %ebx

上面的代码将EAX寄存器的值（2）加上EBX寄存器的值（3），得到结果5，再将这个结果写入第一个运算子EAX寄存器。

7.6 pop 指令

pop指令用于取出Stack最近一个写入的值（即最低地址的值），并将这个值写入运算子指定的位置。

pop    %ebx

上面的代码表示，取出Stack最近写入的值（即EBX寄存器原始的原始值），再将这个值写回EBX寄存器（因为加法已完成，EBX寄存器用不到了）。

注意，pop指令还会将ESP寄存器里的地址加4，即回收4个字节。

7.7 ret 指令

ret指令用于终止当前函数的执行，将运行权交还给上层函数，即回收当前函数的帧。

ret

该指令没有运算子。

随着add_a_and_b函数终止，系统回到main函数中断的地方继续执行。

add    %esp, 8

上面的代码表示，将ESP寄存器里的地址，手动加上8字节，再写回ESP寄存器。因为前面的pop操作已回收4字节，这里再回收8字节，等于全部回收。

ret

最后，main函数运行结束，ret指令退出程序执行。

希望这篇汇编语言入门指南，能帮助你更好地理解代码在计算机底层的运行逻辑。如果你想深入探讨更多计算机基础知识，欢迎来云栈社区交流分享。