处理器体系结构

ASCII标准：以单字节的整数来表示字符
文本文件：由ASCII字符构成（例如.c，.i，.s文件，其他都为二进制文件）

linux> gcc -Og -S 文件名.c
//-Og：符合原代码整体结构的优化等级
//-S：产生汇编代码

linux> gcc -Og -c 文件名.c
//-c：产生文件名.o文件

linux> gcc -Og -d 文件名.o
//-d：产生文件名.s文件

操作系统：位于应用程序和硬件之间的软件

• 文件：I/O设备

• 虚拟内存：主存和I/O设备
  1.每个进程看到的内存一致
  2.地址

  • 多字节对象的地址是所用字节最小的地址（32位int被存储在0x100至0x103 4个地址）
  • 小端法：最低有效字节在最前面（intel，Android，IOS）

  3.字节数组，每个字节都有唯一的地址。
  4.虚拟地址空间所有可能地址集合
  5.由不同的区域构成。（地址由小到大）
  

  • 程序代码和数据
  • 堆
  • 共享库
  • 栈：
    
    
    • 函数调用
    • 栈底不变，向下生长（越下地址越小）
    • 从栈顶插入或删除元素
    • pushq Src：
      
      • 从地址 Src 中取出操作数
      • 把 %rsp（栈指针位于栈顶） 中的地址减去 8（向下移动）
      • 把操作数写入到 %rsp 的新地址中
    • popq Dest：
      
      • 从 %rsp 中存储的地址中读入数据
      • 把 %rsp 中的地址增加 8（向上移动）
      • 把刚才取出来的值放到 Dest （必须是寄存器）中
  • 内核虚拟内存

• 进程：CPU，主存和I/O设备。
  1.并发运行：不同进程的指令交错进行，操作系统内核（管理进程的代码和数据结构的集合）进行上下文切换实现。多核处理器将多个CPU集成到1块芯片，每个CPU都有自己的L1L2高速缓存。
  2.上下文：程序运行所需的状态信息
  3.由多个线程组成

• 虚拟机：对计算机的抽象

buffer overflow（缓存区溢出）：参考虚拟地址空间，运行时栈有 8MB 的大小限制，一般用来保存局部变量。由于C对数组引用不进行边界检查，对越界数组元素的写操作会破坏栈中的状态信息。

void echo() {
    char buf[4]; //为字符串分配的空间
    gets(buf);   //gets函数无法确定空间是否足够
    puts(buf);
}
void call_echo() {
    echo();
}

参考图3-40（CP196）输入的字符串长度越长，造成的破坏越大。可以用指向攻击代码的指针覆盖返回地址。
处理缓冲区溢出攻击：

1. 编写代码时可以对边界进行检查
2. 系统层级的保护：栈随机化
3. 认证机制(Stack Canaries)：在超出缓冲区的位置加一个特殊的值

主板：主印制电路板
控制器：I/O设备或主板的芯片组
适配器：主板插卡
I/O设备：通过控制器或适配器和I/O总线相连
主存：
缓存存储在容量较大，慢速磁盘的数据
- 执行程序时，存放程序和其需要处理的数据
- 由DRAM芯片组成。

CPU（*处理单元，处理器）

• 核心为大小为1个字的寄存器（程序计数器PC）。

• Intel处理器俗称x86.x86-64是该处理器的机器语言。

• 通用目的寄存器CP120
• 16个存储64位
• 存储整数数据和指针
• 名字都以%r开头
• 条件码寄存器
• 描述算术或逻辑操作的属性，用于条件结构分支
• 除leaq指令外的其他指令都会隐式设置条件码
• CMP和TEST指令只根据结果设置条件码但不会改变参数的值

• 部分条件码：

  • CF：无符号溢出
  • ZF：结果为0
  • SF：结果为负
  • OF：补码溢出

• 功能：

  • 存取数据：在内存和寄存器之间传输数据
  • 计算：对寄存器或者内存中的数据执行算术运算
  • 传输控制：非条件跳转和条件分支

• 性能CP361

  • 延迟：运算所需的总时间
  • 发射：连续相同类型的运算所需的间隔时间
  • 容量：执行某运算的功能单元数量（最大吞吐量为其倒数）
    吞吐量界限：原始计算能力
    乱序：指令执行的顺序和机器级程序的顺序可能不一致

• 运行示意
  

• ICU（指令控制单元）：从内存中读出指令序列
  
  • 1条指令可被译成多个操作
  • 退役单元：指令操作完成后且引起该指令的分支点预测正确后，可以退役该指令。
• EU（执行单元）：执行操作
  
  • 每个时钟周期会接收到多个操作，这些操作会被分配到一组功能单元执行实际的操作。
  • 操作结果可以直接在功能单元之间传送。
  • 条件分支如果预测错误，EU会丢弃分支点计算出的结果。

示例：helloworld程序

1. 将I/O设备输入的字符读入寄存器，再放入内存。
2. 结束输入后，编译系统把.c文件转化为.o文件。并从磁盘复制到主存。
3. 把指令复制到处理器后，开始执行机器代码。

cache：（高速缓存）

可移植性：使程序减少对数据类型的字节数的依赖性