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系统架构之计算机必要前置知识

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沅则

发布于 2026-04-13 17:37:45

发布于 2026-04-13 17:37:45

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概述

现代x86 CPU可以用专门的硬件（如AVX-512指令集）一次处理512位（64字节）数据！

原创声明：本文系作者授权腾讯云开发者社区发表，未经许可，不得转载。

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计算机基础

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目录

计算机基础知识
- ASCII 编码基础
- 控制字符
- 从 ASCII 到 UTF-8 的演变
- UTF-8 的优势
- 字节分组
  - 基本概念
  - 数据单位层级（从小到大）
    - 重要提醒
    - 历史背景
- 64位计算机能表达的数字范围以及整数溢出的概念
  - 核心概念回顾
  - 64位的数值范围
  - 整数溢出（重点）
  - 现代硬件的扩展能力
  - 总结
- 计算机如何表示负数--补码
  - 问题：怎么区分正负？
    - 最初的“笨办法”：符号位
    - 巧妙的设计：补码
  - 补码的巨大优势
  - 8位有符号数的范围
- 多字节数据在内存中的布局
  - 核心概念：如何描述一个字节的位置
    - 1. 按“重要性”描述
    - 2. 按“左右”描述
    - 3. 按“先后”描述
  - 为什么这个概念很重要？

寄存器
- 什么是寄存器？
- 寄存器的演进（以x86系列为例）
- 特殊寄存器：指令指针
- 扩展寄存器

如何通过汇编指令 mov 给寄存器赋值
- 核心指令：mov
- 立即数
- 操作部分寄存器
- ⚠️ 重要注意事项：32位写操作会清零高位！
  - 示例对比：
- 为什么这么设计？
- 总结
- 为什么32位写操作会清零高位？
  - 核心一句话
  - 打个比方
    - 场景1：你只动下层的一部分（16位或8位）
    - 场景2：你动整个下层（32位）
  - 为什么这么设计？
  - 对比示例
  - 简单记忆
- 数据扩展
  - 问题场景
  - 发生了什么？
  - 问题出在哪？
  - 解决方案：movsx
  - movsx 做了什么？
  - 具体过程
  - 对比一下
  - 类似的指令
  - 总结

进程内存的虚拟性和初始内容
- 进程内存一开始装了什么？
- 为什么都写 0x10000？
- 虚拟内存的好处

栈的基本操作：push pop
- 1. 栈的用途
- 2. push 示例
- 3. x86-64 的 push 限制
- 4. pop 示例

栈的地址和增长方向
- 栈的位置
- 栈的增长方向
- 为什么栈向下增长？

通过 mov 指令访问虚拟内存
- 1. 虚拟内存的陷阱
- 2. 用 mov 读写内存
  - 示例1：从内存读到寄存器
  - 示例2：从寄存器写到内存
- 3. push 的本质
- 4. 内存是按字节编址的
  - 示例：
- 总结
- 为什么进程地址空间不从 0 开始？
  - 1. 防止空指针解引用（Null Pointer Dereference）
  - 2. 历史教训：CVE-2009-1897
  - 3. 0x10000 是常见起点
  - 总结

小端序（little endian）——数据在内存里是怎么存的
- 1. 什么是小端序？
- 2. 示例演示
- 3. 重要说明
- 4. 为什么用小端序？

内存地址的计算方式，以及 x86-64 里一种很有用的指令 lea（Load Effective Address）。
- 1. 用偏移量访问内存
- 2. 用 lea 计算地址但不访问内存
- 3. 地址计算的格式限制

程序控制流
- 1. 标志寄存器（rflags）
- 2. 主要标志位含义
- 🔁 常见比较模式
  - 无符号比较
  - 有符号比较
  - 与零比较
  - 相等比较
- 📘 常用跳转指令速查表

x86-64 汇编中如何用条件跳转实现循环
- 🔁 循环的本质
- 📘 示例：计数到 10
  - 执行过程
- 🔧 变体：不同类型的循环
  - 1. for 风格循环（计数）
  - 2. while 风格循环（条件控制）
  - 3. 无限循环
- 🧠 关键点总结
- 📌 注意事项

x86-64 汇编中函数调用（call / ret）
- 📞 函数调用的核心机制
- 🔍 示例代码解析
- 🧠 调用过程详解
  - 第一次调用
  - 第二次调用
  - 最后
- ⚠️ 注意事项
  - 1. 返回值规范
  - 2. 参数传递
  - 3. 寄存器保存
- 🛠 完善 EXIT 函数

调用约定
- 📌 什么是调用约定？
- 🖥 不同架构的调用约定
  - 1. Linux x86（32位）
  - 2. Linux amd64（x86-64，笔记中的）
  - 3. Linux arm（32位）
- 🔒 寄存器保存规则（Linux amd64）
  - 被调用者保存（callee-saved）
  - 调用者保存（caller-saved）
- 🧠 为什么需要这些规则？
- 📝 总结：amd64 函数调用步骤

System Calls

1.系统调用
- 什么是系统调用？
- x86-64 Linux 系统调用约定
  - 寄存器分工
- 示例详解：从键盘读取并输出
  - 第一步：读取100字节
  - 第二步：输出刚读取的内容
- 为什么用栈（rsp）做缓冲区？
- 完整流程
- 常用系统调用号（Linux x86-64）
- 逐个解释
  - 1. open
  - 2. read
  - 3. write
  - 4. fork
  - 5. execve
  - 6. wait
- 组合起来就是完整的进程生命周期
- 总结
- 如何在栈上手动构造字符串，然后作为参数传给系统调用
- 字符串在内存中的表示
- 在栈上构造字符串
  - 代码
  - 内存布局
- 调用 open()
  - 参数说明
  - 返回值
- 完整流程（隐含）
- 为什么要手动构造？
- 查open 系统调用里的 flags 参数
  - 为什么需要“查”这些常量？
  - 怎么查？用C程序
  - open 的常用 flags 参数值
- 程序如何主动退出，并且把退出状态返回给操作系统
- exit 系统调用
  - 做了什么？
- 退出码有什么用？
  - 常见惯例
  - 在 Shell 中查看
- 为什么需要显式退出？
- 完整程序示例
- 总结

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