计算机系统讲解(上）

1.全书结构

(1).Chapter01:计算机系统漫游

(2).Chapter02~Chapter12分为三部分

• Part I:程序结构和执行(Chapter02~Chapter06)
• Part II:在系统上运行程序(Chapter07~Chapter09)
• Part III:进程间的交互和通信(Chapter10~Chapter12)

2.程序编译流程

(1).编译系统工作流程

程序编译

详细过程

• Stage1(预处理) ：预处理器会根据以#开头的代码来修改原始程序，预处理器会读取头文件中的内容，将头文件中的内容直接插入到源程序中，结果就得到了另一个C程序。经预处理器处理后得到的文件通常以.i为后缀结尾，它仍然是一个文本文件；
• Stage2(编译) ：编译器将hello.i文件翻译成hello.s文件，这一过程称为编译。其中编译这一阶段包括词法分析、语法分析、语义分析、中间代码生成及优化等一系列的中间操作；
• Stage3(汇编) ：汇编器根据指令集将汇编程序hello.s翻译成机器指令，并且把这一系列的机器指令按照固定的规则进行打包得到 可重定位目标文件hello.o 。此时，虽然hello.o是一个二进制文件，但是还不能执行还需要进行链接操作；
• Stage4(链接) ：在hello这个程序中，调用了标准C库中的函数printf，每一个C语言的编译器都会提供。当调用printf函数时，编译器就知道你要在屏幕上打印输出内容，它会将这行代码翻译成计算机可以理解的指令。printf函数在名为printf.o文件中，这个文件是一个提前编译好的目标文件。链接器ld负责把hello.o和printf.o进行合并，但合并需要遵循一定的规则。正是由于链接器要对hello.o和printf.o进行调整，所以hello.o才会称为可重定位目标文件，最终经过链接阶段可以得到 可执行目标文件hello 。此时，得到的hello就可以被加载到内存中执行了。

(2).理解编译系统工作流程意义

• 优化程序性能；
• 理解链接时出现的错误；
• 避免安全漏洞（缓冲区溢出）；

3.计算机系统硬件组成

计算机硬件系统组成
(1).CPU的结构

程序计数器PC ：一个字即4字节(32位系统)或一个字即8字节(64位系统)的存储空间，里面存放的是某一条指令的地址。从系统上电的那一瞬间到系统断电，处理器就不断地在执行PC执向的指令，然后更新PC，使其指向下一条要指向的指令。注意：下一条执行的指令与刚刚执行过的指令不一定是相邻的地址。

寄存器文件 ：它是CPU内部的一个存储设备，寄存器文件是由一些单字长的寄存器构成，每个寄存器都有自己唯一的名字。换句话说，寄存器可以理解为一个临时存放数据的空间。

算术逻辑单位ALU ：例如，计算两个变量a、b的和，处理器从内存中读取a的值暂存在寄存器X中，读取b的值暂存在寄存器Y中，这个操作会覆盖寄存器中原来的数值。处理器完成加载的操作后，ALU会复制寄存器X和Y中保存的数值，然后进行算术运算，得到的结果会保存在寄存器X或寄存器Y中。此时，寄存器中原来的值会被新的值所覆盖。

(2).主存/内存

处理器在执行程序时，内存主要存放程序指令和数据。从物理上来说，内存就是由随机动态存储芯片组成；从逻辑上来说，内存可以看成是一个从0开始的大数组，每个字节都有相应的地址。

(3).总线

内存和处理器之间通过总线来进行数据传递，总线贯穿了整个计算机系统，它负责将信息从一个部件传递到另一个部件，通常总线被设计成固定长度的字节块即字word。字表示多少个字节，各个系统是不一样的。

(4).输入输出设备

例如：键盘、鼠标、显示器等，每个输入输出设备都通过一个控制器或者适配器与IO总线相连。

4.程序运行背后的故事

(1).键盘输入./hello时，shell程序会将输入的字符逐一读入寄存器，处理器会把这个hello字符串放入内存中；

第1步

(2).当完成输入，按下回车键时shell程序已经知道我们已经完成了命令的输入，然后执行一系列的指令来加载可执行文件hello。这些指令将hello中的数据和代码从磁盘复制到内存。数据就是要在屏幕上显示的“hello worldn”，这个复制的过程将利用DMA技术，数据可以不经过处理器，从磁盘直接到达内存；

第2步

(3).当可执行文件hello中的代码和数据被加载到内存中，处理器就开始执行main函数中的代码。CPU会将“hello worldn”这个字符串从内存复制到寄存器文件，再从寄存器文件复制到显示设备即屏幕上；

第3步

5.内存层级结构

(1).通常情况下，大容量的存储设备存取速度要比小容量的慢；运行更快设备的价格相对于运行速度慢的设备的价格要贵；

寄存器文件Register File           100~1000B
        L1 cache                     10~100KB
        L2 cache                     0.1 ~10MB
        L3 cache                     10~100MB
    内存Main Memory                   1~100GB
    磁盘Disk                          1~1000TB

(2).针对处理器和内存之间的读写速度差异，系统设计人员在寄存器文件和内存之间引入了高速缓存cache 。比较新且处理能力比较强的处理器，一般有三级高速缓存：L1 cache、L2 cache、L3 cache。L1 cache的访问速度与访问寄存器文件几乎一样快，L2 cache的访问速度是L1的5倍，L3 cache的容量更大，访问速度与L2 cache相比更慢。

内存层次结构