CS110 计算机体系结构 5 C.A.L.L.

C.A.L.L，是编译 Compilation - 汇编 Assembly - 链接 Linking - 加载 Loading 的缩写，是从（编译执行类语言）程序代码到进程的一般过程。我们接下来一个个部分来看。

编译 Compilation

对于 C 语言而言，编译过程由 C 编译器（如 gcc）完成。在这个过程中，程序员把写好的代码文件 main.c 交给编译器，然后编译器负责把这份代码编译为汇编代码文件 main.s，其中存放的是汇编语言代码，如 RISC-V。

既然是负责把高级语言转换为汇编语言，编译器就需要恪尽职守地努力”优化“转换生成的汇编语言，使其执行需要的时空开销尽可能小。我们在使用 gcc 进行编译时，可以选择 -O2 -O3 这样的优化策略——这些策略就是不同激进程度的优化。优化有很多种类型，在此仅举一个例子来供读者理解：

int sum(int n) {
    int res = 0;
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        res += i;
    }
    return res;
}

对于以上函数，如果按照 -O0 的忠于源码的优化方式来编译，编译结束后的汇编代码可能是这样的（事实上，gcc 的翻译结果并不是 RISC-V，在此仅作演示，方便理解）：

sum:
    addi    sp, sp, -16    # 开辟栈空间
    sw      s0, 12(sp)     # 保存寄存器
    addi    s0, sp, 16
    sw      a0, -12(s0)    # 将参数 n 存入栈 (内存)
    sw      zero, -8(s0)   # res = 0
    sw      zero, -4(s0)   # i = 0
.L2:
    lw      a4, -4(s0)     # 加载 i
    lw      a5, -12(s0)    # 加载 n
    blt     a4, a5, .L3    # 如果 i < n，跳转到循环体
    j       .L4            # 否则退出循环
.L3:
    lw      a4, -8(s0)     # 加载 res
    lw      a5, -4(s0)     # 加载 i
    add     a5, a4, a5     # res += i
    sw      a5, -8(s0)     # 存回 res
    lw      a5, -4(s0)     # 加载 i
    addi    a5, a5, 1      # i++
    sw      a5, -4(s0)     # 存回 i
    j       .L2
.L4:
    lw      a0, -8(s0)     # 返回 res
    lw      s0, 12(sp)
    addi    sp, sp, 16
    ret

如果我们按照 -O3 的激进的优化方式来编译，结果可能会变成类似于这样：

sum:
    blez    a0, .L1        # 如果 n <= 0，直接跳转返回 0
    addi    a1, a0, -1     # a1 = n - 1
    mul     a0, a0, a1     # n * (n - 1)
    srli    a0, a0, 1      # n * (n - 1) / 2
    ret
.L1:
    li      a0, 0          # 返回 0
    ret

可以看到，最直观的区别就是，-O3 优化的汇编代码比 -O0 的汇编代码短得多。事实上，-O3 优化在这里避免了不必要的内存存取，改在寄存器中更快地完成这部分工作；甚至，这种优化还将庞大的循环直接从数学上化简成了求和公式。-O3 优化，在代码的时空复杂度上讲，比 -O0 优化有很大的缩减。

以上只是一个非常浅显的、便于理解的优化的例子。在后续的章节中，我们可能会涉及到如循环展开之类的优化方式，等涉及到时再补充。

汇编 Assembly

汇编过程是由汇编器 Assembler 完成的，它把由编译器生成的汇编代码汇编成二进制代码——这个过程的重点部分，我们已经在前两章中讨论过了，在此概括、补充一下完整过程：

第一步，根据含有伪指令的汇编代码来组织代码和数据，如将伪指令替换为标准指令、确定代码段、数据段的位置，声明全局符号等；第二步，汇编器将处理后的标准指令转换成二进制01串，生成机器语言；第三步，汇编器将生成的机器语言、信息表等打包为目标对象文件 .o，供后续链接器使用。

大端序 / 小端序

除了前面涉及的 RISC-V 代码翻译问题外，这里需要额外补充的是关于大端序/小端序的内容。所谓大端序/小端序 Big/Little Endian，就是缓冲区、内存、硬盘等存储容器中字节的存放/读取顺序。不难看出，这个顺序对于读取一段数据或代码来说至关重要。其中，小端序指的是最低位在最右侧的写法，大端序指的是最低位在最左侧的写法。RISC-V 使用的是小端序。比如，对于 0x12345678 这样一段十六进制数据，不同方式的存储如下：

内存地址	0x00	0x01	0x02	0x03
小端序	0x78	0x56	0x34	0x12
大端序	0x12	0x34	0x56	0x78

需要注意的是，具体按照小端序还是大端序存储/读取只是一种解释规则，具体顺序由 CPU 管理。另外，不论是小端序还是大端序，在每个字节内部的存储顺序是不会改变的——这是在说，即使是小端序，0x78 在同一内存地址字节上的存储方式还是 0b 0111 1000，而不会发生任何翻转。

汇编器的输出

这里简单整理一下汇编器的输出内容，主要包括代码和信息表两类，有兴趣的读者可以看一眼。

目标文件头 Object file header 包含目标文件中其它部分的大小和位置信息
文本段 Text segment 存储可执行的机器码
静态数据段 Static data segment 存储静态数据
符号表 Symbol table 列出文件中的标签和静态数据，方便被其他程序引用
重定向表 Relocation table 包含之后需要被链接器 Linker 修正的代码
调试信息 Debugging info 用于调试程序，记录变量名、函数名、行号与机器代码的对应关系

链接 Linking

【施工中】

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