【移動應(yīng)用開發(fā)技術(shù)】深入iOS系統(tǒng)底層之指令集介紹

【移動應(yīng)用開發(fā)技術(shù)】深入iOS系統(tǒng)底層之指令集介紹

不以規(guī)矩．不能成方圓。--《孟子·離婁上》說到指令集以及CPU架構(gòu)體系，大家就會想到計算機專業(yè)課程里面的計算機體系結(jié)構(gòu)的方面的內(nèi)容。既然課程中已經(jīng)有了的內(nèi)容我就不想那么枯燥的去復(fù)述一遍，而是先看一個類的定義：//定義寄存器編號

typedefenum:int{

Reg0,

Reg1,

Reg2,

Reg3

}RegNum;

//定義系統(tǒng)調(diào)用編號

typedefenum:int{

Int3//設(shè)備輸出，將寄存器Reg0中的內(nèi)容輸出到屏幕

}Interrupt;

//定義指令索引

typedefintInstruct;

/**

虛擬CPU類，模擬CPU所提供的指令。

虛擬CPU由4個寄存器和運算部件組成。四個寄存器的編號分別定義在RegNum中；運算部件提供了賦值、加減、比較、跳轉(zhuǎn)9個指令。

*/

@interfaceVCPU:NSObject

//將一個常量值賦值給編號為reg的寄存器中。

-(void)moveFromConst:(int)valtoReg:(RegNum)reg;

//將編號為reg1的寄存器中的值賦值給編號為reg2的寄存器中。

-(void)moveFromReg:(RegNum)reg1toReg:(RegNum)reg2;

//將編號為reg的寄存器中的值賦值給地址為addr的內(nèi)存中。

-(void)moveFromReg:(RegNum)regtoAddr:(Addr)addr;

//將地址為addr的內(nèi)存中的值賦值給編號為reg的寄存器中。

-(void)moveFromAddr:(Addr)addrtoReg:(RegNum)reg;

//將編號為reg1的寄存器中的值加上編號為reg2的寄存器中的值并將結(jié)果保存到編號為reg2的寄存器中。

-(void)addFromReg:(RegNum)reg1toReg:(RegNum)reg2;

//將編號為reg1的寄存器中的值減去編號為reg2的寄存器中的值并將結(jié)果保存到編號為reg2的寄存器中。

-(void)subFromReg:(RegNum)reg1toReg:(RegNum)reg2;

//如果兩個寄存器內(nèi)容相等則執(zhí)行instruct所指定的指令，否則什么也不做。

-(void)isEqualReg:(RegNum)reg1withReg:(RegNum)reg2thenGoto:(Instruct)instruct;

//跳轉(zhuǎn)到instruct所指定的指令中去。

-(void)jumpTo:(Instruct)instruct;

//系統(tǒng)返回

-(void)ret;

//系統(tǒng)調(diào)用，目前只支持屏幕輸出調(diào)用Int3,表示將寄存器編號為0中的值輸出到屏幕。

-(void)sys:(Interrupt)interrupt;

@end

上面是一個叫VCPU的類的定義部分，它是一個用OC語言實現(xiàn)的用來模擬CPU功能的類。我們再來看一個使用這個類的代碼片段：

-(void)main:(VCPU*)cpumemory:(VMemory*)memory

{

VINSTRUCT_BEGIN

VINSTRUCT(0,[cpumoveFromConst:10toReg:Reg0])//將常數(shù)10保存到CPU的寄存器Reg0中

VINSTRUCT(1,[cpumoveFromConst:15toReg:Reg1])//將常數(shù)15保存到CPU的寄存器Reg1中

VINSTRUCT(2,[cpuaddFromReg:Reg0toReg:Reg1])//將寄存器Reg0中的值于寄存器Reg1中的值相加并保存到Reg1中

VINSTRUCT(3,[cpumoveFromReg:Reg1toAddr:0x1000])//將保存在Reg1中的相加結(jié)果保存到內(nèi)存地址為0x1000處的內(nèi)存中

VINSTRUCT(4,[cpumoveFromAddr:0x1000toReg:Reg0])//將內(nèi)存地址0x1000處的內(nèi)存值保存到寄存器Reg0中

VINSTRUCT(5,[cpumoveFromConst:25toReg:Reg1])//將常數(shù)25保存到CPU的寄存器Reg1中

VINSTRUCT(6,[cpuisEqualReg:Reg0withReg:Reg1thenGoto:9])//如果Reg0中的值和Reg1中的值相等則執(zhí)行第9條指令：進行打印輸出

VINSTRUCT(7,[cpumoveFromReg:Reg1toAddr:0x1000])//將寄存器Reg1中的值保存到內(nèi)存地址為0x1000中。

VINSTRUCT(8,[cpujumpTo:10])//跳轉(zhuǎn)去執(zhí)行第10條指令

VINSTRUCT(9,[cpusys:Int3])//系統(tǒng)調(diào)用，輸出保存在Reg0中的值。

VINSTRUCT(10,[cpuret])//程序結(jié)束。

VINSTRUCT_END

}您能看懂上面代碼所實現(xiàn)的功能嗎(要想查看并運行完整的代碼請到我的github站點中的VirtualSystem處下載)？您是否在例子里面隱約的感受到了上面代碼里面涉及到的一些關(guān)于CPU、內(nèi)存、進程等方面的概念和知識了？它其實就是實現(xiàn)了如下的簡單功能：-(void)main

{

inta=10;

intb=15;

a=a+b;

if(a==25){

NSLog(@"output:%d",a);

}

}考察一下VCPU類，你會發(fā)現(xiàn)這個類提供了一些非常基礎(chǔ)的操作方法：加減處理、數(shù)據(jù)移動、比較、地址跳轉(zhuǎn)、系統(tǒng)調(diào)用等功能。調(diào)用者可以利用這個類提供的操作方法來編寫并完成某個特定的功能。這個類的內(nèi)部實現(xiàn)還提供了幾個臨時存儲空間，可以通過RegNum編號來讀寫里面的數(shù)值。VCPU實際上是一個對真實CPU所具有的能力的一個簡單的模擬類。我們來看一下CPU的組成：從上面的CPU結(jié)構(gòu)圖片中可以看出CPU主要分為存儲單元(SU)和運算單元(ALU)以及控制單元(CU)。如果將這些部件和結(jié)構(gòu)映射到VCPU這個類時你會發(fā)現(xiàn)：存儲單元所對應(yīng)的就是里面的數(shù)據(jù)成員；而運算單元和控制單元則對應(yīng)里面的所有實例方法，運算單元提供了CPU指令的實現(xiàn)(VCPU類提供了眾多的方法實現(xiàn))。我們稱一個CPU里面所提供的所有的指令的集合稱之為指令集。我們可以用OC語言來實現(xiàn)一個VCPU類，也可以用Swift語言來實現(xiàn)一個Swift版本的VCPU類，也可以用Java語言來實現(xiàn)一個Java版本的VCPU類。這其中不同的語言所提供的方法的定義形式是完全不同的:就比如說OC里面可以提供直接操作內(nèi)存地址的方法，但是Java里面則無法提供直接操作內(nèi)存地址的方法；即使是OC語言中我們要實現(xiàn)VCPU類中的方法也可以有很多種不同的方式。不同的廠家以及不同的技術(shù)工藝和技術(shù)水平以及具體的設(shè)備上所實現(xiàn)的CPU的體系架構(gòu)以及提供的功能也是有差異的。比如ARM指令架構(gòu)體系的CPU、x86指令體系架構(gòu)的CPU、POWER-PC指令架構(gòu)體系的CPU。這些不同體系的CPU因為架構(gòu)完全不同導(dǎo)致所提供的指令和存儲單元也完全不同。我們不可能讓ARM指令直接在X86的CPU上執(zhí)行(就如OC的提供方法無法在Java中執(zhí)行是一個道理)。相同體系架構(gòu)下的CPU指令則在一定程度上是可以相互兼容的，因為相同架構(gòu)體系下的CPU的指令集是一致的(類比為接口一致，但是內(nèi)部實現(xiàn)則不相同)，比如說Intel公司所生產(chǎn)的x86系列的CPU和AMD公司所生產(chǎn)的x86系列CPU所提供的指令集是相似和兼容的，他們之間的差別只是內(nèi)部的實現(xiàn)不同而已。CPU指令集定義的是一個中央處理器所應(yīng)該提供的基礎(chǔ)功能的集合，它是一個標準是一個接口也是一個協(xié)議。在軟件開發(fā)中具有協(xié)議和接口定義的概念，無論是消費者還是提供者都需要遵循這個標準來進行編程和交互：提供者要實現(xiàn)接口所具有的功能，至于如何實現(xiàn)則是內(nèi)部的事情，不對外暴露，消費者也不需要知道具體的實現(xiàn)細節(jié)；消費者則總是要按接口提供的功能方法并組合使用來完成某種功能。這種設(shè)計的思維對于硬件系統(tǒng)也是一樣適用的。一般情況下某種CPU指令集通常都是由某些設(shè)計或者生產(chǎn)CPU的公司或者某標準組織共同定義而形成。那么目前市面上有哪些主流的CPU指令集或CPU架構(gòu)體系呢？

此處參考自：/item/Intel%20x86/1012845?fromtitle=x86&fromid=6150538

此處參考自：/item/Intel%20x86/1012845?fromtitle=x86&fromid=6150538x86架構(gòu)是Intel公司在1978年推出的Intel8086中央處理器中首度出現(xiàn)，從Intel80386開始支持32位的系統(tǒng)。x86現(xiàn)在幾乎是個人計算機的標準平臺，成為了歷來最成功的CPU架構(gòu)。其他公司也有制造x86架構(gòu)的處理器：有AMD、Cyrix、NEC、IBM、IDT以及Transmeta等。64位架構(gòu)到2002年，由于32位特性的長度，x86的架構(gòu)開始到達某些設(shè)計的極限。這個導(dǎo)致要處理大量的信息儲存大于4GB會有困難。Intel原本已經(jīng)決定在64位的時代完全地舍棄x86兼容性，推出新的架構(gòu)稱為IA-64技術(shù)作為他的Itanium處理器產(chǎn)品線的基礎(chǔ)。IA-64與x86的軟件天生不兼容；它使用各種模擬形式來運行x86的軟件，不過，以模擬方式來運行的效率十分低下，并且會影響其他程序的運行。AMD公司則主動把32位x86（或稱為IA-32）擴充為64位。它以一個稱為AMD64的架構(gòu)出現(xiàn)（在重命名前也稱為x86-64），且以這個技術(shù)為基礎(chǔ)的第一個產(chǎn)品是單內(nèi)核的Opteron和Athlon64處理器家族。由于AMD的64位處理器產(chǎn)品線首先進入市場，且微軟也不愿意為Intel和AMD開發(fā)兩套不同的64位操作系統(tǒng)，Intel也被迫采納AMD64指令集且增加某些新的擴充到他們自己的產(chǎn)品，命名為EM64T架構(gòu)（顯然他們不想承認這些指令集是來自它的主要對手），EM64T后來被Intel正式更名為Intel64(也就是x64指令集)。

在iOS編程時如果要運行在模擬器上，代碼生成的機器指令時就需要指定使用i386還是x64指令集，因為目前的mac電腦上基本采用了x86或者x64架構(gòu)的CPU。

在iOS編程時如果要運行在模擬器上，代碼生成的機器指令時就需要指定使用i386還是x64指令集，因為目前的mac電腦上基本采用了x86或者x64架構(gòu)的CPU。

此處參考自:/item/ARM/7518299

此處參考自:/item/ARM/7518299ARM處理器是英國Acorn有限公司設(shè)計的低功耗成本的第一款RISC微處理器。全稱為AdvancedRISCMachine。ARM處理器本身是32位設(shè)計，但也配備16位指令集。1978年12月5日，物理學(xué)家赫爾曼·豪澤（HermannHauser）和工程師ChrisCurry，在英國劍橋創(chuàng)辦了CPU公司（CambridgeProcessingUnit），主要業(yè)務(wù)是為當?shù)厥袌龉?yīng)電子設(shè)備。1979年，CPU公司改名為Acorn公司。起初，Acorn公司打算使用摩托羅拉公司的16位芯片，但是發(fā)現(xiàn)這種芯片太慢也太貴。"一臺售價500英鎊的機器，不可能使用價格100英鎊的CPU！"他們轉(zhuǎn)而向Intel公司索要80286芯片的設(shè)計資料，但是遭到拒絕，于是被迫自行研發(fā)。1985年，RogerWilson和SteveFurber設(shè)計了他們自己的第一代32位、6MHz的處理器，并用它做出了一臺RISC指令集的計算機，簡稱ARM（AcornRISCMachine）。這就是ARM這個名字的由來。

目前市面上的主流智能手機等移動設(shè)備配備的CPU都采用ARM架構(gòu)。iOS應(yīng)用真機編譯出來的機器指令都是ARM指令，因此需要在編譯時指定armv7或者arm64指令集。

目前市面上的主流智能手機等移動設(shè)備配備的CPU都采用ARM架構(gòu)。iOS應(yīng)用真機編譯出來的機器指令都是ARM指令，因此需要在編譯時指定armv7或者arm64指令集。

此處參考自:/item/MIPS架構(gòu)/1539401?fr=aladdin

此處參考自:/item/MIPS架構(gòu)/1539401?fr=aladdinMIPS架構(gòu)（英語：MIPSarchitecture，為Microprocessorwithoutinterlockedpipedstagesarchitecture的縮寫），是一種采取精簡指令集（RISC）的處理器架構(gòu)，1981年出現(xiàn)，由MIPS科技公司開發(fā)并授權(quán)，廣泛被使用在許多電子產(chǎn)品、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、個人娛樂裝置與商業(yè)裝置上。最早的MIPS架構(gòu)是32位，最新的版本已經(jīng)變成64位。

目前國內(nèi)的龍芯CPU，采用的就是MIPS指令集。

目前國內(nèi)的龍芯CPU，采用的就是MIPS指令集。

此處參考自：/item/POWER%20PC/5963071?fr=aladdin

此處參考自：/item/POWER%20PC/5963071?fr=aladdinPOWER-PC由摩托羅拉公司和蘋果公司聯(lián)合開發(fā)的高性能32位和64位RISC微處理器系列,以與壟斷PC機市場的Intel微處理器和微軟公司的軟件相競爭。PowerPC微處理器1994年推出。IBM以前跟Intel競爭過桌面處理器市場，但由于市場策略不當?shù)仍颍琁BM沒賺到什么錢，于是決定退出桌面市場。POWER系列處理器是它退出桌面市場后才開發(fā)出來的服務(wù)器用處理器，蘋果電腦用的處理器只是Power系列里的一種，據(jù)說是IBM為蘋果特制的簡化版本，而蘋果獨一無二的經(jīng)營理念使蘋果電腦與其它PC都不兼容，所以目前的Power系列處理器不能用于桌面PC。目前蘋果電腦因PowerPC處理器不適合蘋果發(fā)展而轉(zhuǎn)而使用Intel處理器。

您是否在很多iOS庫的頭文件里面看到過POWER-PC的宏定義，早期的蘋果電腦都用POWER-PC的CPU，現(xiàn)在蘋果電腦基本都改為x64架構(gòu)的CPU了。

您是否在很多iOS庫的頭文件里面看到過POWER-PC的宏定義，早期的蘋果電腦都用POWER-PC的CPU，現(xiàn)在蘋果電腦基本都改為x64架構(gòu)的CPU了。CPU體系的分類上面列出了一些關(guān)于CPU架構(gòu)和指令集的介紹，不同的體系結(jié)構(gòu)具有各自的優(yōu)缺點，我們可以從不同的角度對CPU進行分類：所謂字長就是指CPU的指令在一個周期內(nèi)能夠處理的最大的數(shù)字或者理解為對內(nèi)存地址的最大的尋址能力。因此按這個長度可以做如下分類:一般情況下大字長的CPU指令集都會兼容小字長的CPU指令集。比如32位的應(yīng)用程序能夠在64位的CPU上執(zhí)行，而小字長的CPU指令集則無法直接提供大字長指令集的能力，如需要支撐則通常都是通過模擬來完成的，比如說一個64位字長CPU的讀取數(shù)據(jù)指令在32位字長CPU上就可以通過模擬兩次讀取來完成，現(xiàn)在有的CPU提供了指令模擬的功能，因此某些64位的應(yīng)用程序還是可以運行在32位的CPU上的，只不過性能和速度會存在很大的損耗。

此處參考自：/view/b5a138d43186bceb19e8bb62.html、/question/200786121943026445.html。

此處參考自：/view/b5a138d43186bceb19e8bb62.html、/question/200786121943026445.html。所謂指令的復(fù)雜度就是指CPU指令集中所提供的指令的數(shù)量、指令尋址模式、指令參數(shù)、以及CPU內(nèi)部的架構(gòu)設(shè)計的復(fù)雜度、以及指令本身所占據(jù)的字節(jié)數(shù)等來進行劃分的一種方式，一般有兩種類型的分類：CISC指令集。CISC的英文全稱為“ComplexInstructionSetComputer”，即“復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機”，從計算機誕生以來，人們一直沿用CISC指令集方式。早期的桌面軟件是按CISC設(shè)計的，并一直沿續(xù)到現(xiàn)在。目前，桌面計算機流行的x86體系結(jié)構(gòu)即使用CISC。在CISC微處理器中，程序的各條指令是按順序串行執(zhí)行的，每條指令中的各個操作也是按順序串行執(zhí)行的。順序執(zhí)行的優(yōu)點是控制簡單，但計算機各部分的利用率不高，執(zhí)行速度慢。CISC架構(gòu)的服務(wù)器主要以x86/x64架構(gòu)(IntelArchitecture)為主，而且多數(shù)為中低檔服務(wù)器所采用。下面的表格舉出了CISC和RISC兩種體系結(jié)構(gòu)的差別：

此處參考自：/conowen/article/details/7256260

此處參考自：/conowen/article/details/7256260按指令流和數(shù)據(jù)流來進行分類的依據(jù)是CPU的一條指令可以同時處理多少條數(shù)據(jù)，或者一條數(shù)據(jù)同時被多少條指令處理，以及在一個CPU時間周期內(nèi)可以同時執(zhí)行多少條指令等規(guī)則來劃分的。因此可以劃分為如下四種：單指令流單數(shù)據(jù)流機器（SISD）SISD機器是一種傳統(tǒng)的串行計算機，它的硬件不支持任何形式的并行計算，所有的指令都是串行執(zhí)行。并且在某個時鐘周期內(nèi)，CPU只能處理一個數(shù)據(jù)流。因此這種機器被稱作單指令流單數(shù)據(jù)流機器。早期的計算機都是SISD機器，如馮諾.依曼架構(gòu)，如IBMPC機，早期的巨型機和許多8位的家用機等。單指令流多數(shù)據(jù)流機器（SIMD）SIMD是采用一個指令流處理多個數(shù)據(jù)流。這類機器在數(shù)字信號處理、圖像處理、以及多媒體信息處理等領(lǐng)域非常有效。Intel處理器實現(xiàn)的MMXTM、SSE（StreamingSIMDExtensions）、SSE2及SSE3擴展指令集，都能在單個時鐘周期內(nèi)處理多個數(shù)據(jù)單元。也就是說我們現(xiàn)在用的單核計算機基本上都屬于SIMD機器。（個人覺得GPU也屬于這個范疇）多指令流單數(shù)據(jù)流機器（MISD）MISD是采用多個指令流來處理單個數(shù)據(jù)流。由于實際情況中，采用多指令流處理多數(shù)據(jù)流才是更有效的方法，因此MISD只是作為理論模型出現(xiàn)，沒有投入到實際應(yīng)用之中。虛擬環(huán)境最后我們還是回到VCPU類來，VCPU是一個對CPU的簡單的模擬實現(xiàn)。我們知道用vmware軟件可以用來模擬出一個操作系統(tǒng)運行的硬件環(huán)境，而實現(xiàn)了虛擬設(shè)備的功能；微軟公司在2017年宣布他的Visualstudio2017上能夠開發(fā)并運行iOS應(yīng)用，并且可以無縫的將代碼拷貝到XCODE上編譯并運行。其實現(xiàn)的原理是Visualstudio2017本身提供了一個OC語言編譯器，同時他內(nèi)部也提供了一個CocoaUI框架的模擬實現(xiàn)版本，所以能在上面運行iOS應(yīng)用。從上面的幾個例子中我們可以發(fā)現(xiàn)一個特點就是：一個系統(tǒng)各個層次之間的調(diào)用總是通過某些約定的規(guī)則或者定義的接口來進行的，并且調(diào)用者是不知道也不需要知道提供者是如何實現(xiàn)這些能力的，總是一切皆是接口：正是因為有這些接口的定義以及標準的形成，我們才可以將原本真實的實現(xiàn)模擬出另外一個虛擬的實現(xiàn)出來。這也就是所謂的虛擬化的本質(zhì)。虛擬化可以發(fā)生在任何一個層面，也可以進行全局虛擬或者是部分虛擬。我們可以對CPU的指令以及硬件接口進行模擬從而構(gòu)建出一套類似vmware一樣的虛擬機軟件來運行任何操作系統(tǒng)；我們也可以對操作系統(tǒng)提供的接口API進行模擬從而構(gòu)建出一套類似Wine一樣的虛擬Windows運行環(huán)境出來；我們還可以對操作系統(tǒng)所提供的文件系統(tǒng)或者存儲系統(tǒng)來進行模擬從而提供出一套類似Docker之類的應(yīng)用容器出來；我們也