【读书笔记】《深入理解计算机系统》第一章 计算机系统漫游

一、编译过程

• 源程序
  .c源程序是一个文本

• 预处理
  处理#开头的预处理命令，获得预处理后的文本

• 编译
  将.i文本文件翻译成.s文本文件
  .s文件是一个汇编语言程序

• 汇编
  将.s文件翻译成机器语言指令，获得.o二进制文件

• 链接
  合并调用的库函数的.o文件，最终获得可执行目标程序
  .exe也是二进制文件

二、处理器是如何读和解释内存中指令的

1.系统的硬件组成

• 总线
  功能：贯穿整个系统的一组电子管道，在各个部件间传递信息字节。

  字长：总线通常传送定长的字节块，就是字。字长是一个基本的系统参数，如64位（8字节），32位（4字节）。

• I/O设备
  功能：系统与外界联系媒介。图中的键鼠、显示器、磁盘都是I/O设备。

  I/O设备通过控制器或适配器和总线相连。

  控制器是I/O设备或系统的电路板上芯片组
  适配器是插在主板插槽上的卡

• 主存
  临时储存设备，在处理器执行程序时，存放程序和数据。

  物理上说由一组DRAM芯片组成。
  逻辑上说是一个线性的字节数组，索引从0开始。

• CPU
  解释或执行主存中指令的引擎。

  核心是程序计数器PC，任何时刻，PC都指向主存中某条机器指令的地址。

  从系统通电开始，CPU执行PC指向的指令，然后PC指向下一条指令。

  寄存器临时存储字节数据，ALU对数据进行算术运算。

2.hello程序是如何执行的

当我们给计算机指令执行程序时：
①可执行文件经由总线被读到主存里。
②处理器开始执行机器语言指令。
③字符串从主存复制到寄存器文件，再从寄存器文件复制到显示器上。

三、高速缓存

1.为什么需要高速缓存

为了加快程序工作速度，需要使得数据的复制操作尽可能快地完成。
根据机械原理，大存储设备比小存储设备运行速度慢，而高速设备造价远高于同等的低速设备。因此为了在效率和成本之间找到平衡，我们采用更小更快的存储设备——高速缓存存储区cache来存放近期可能使用的信息。
在CPU和大而慢的存储设备（如主存）间加一个较小的cache是一个普遍的观念。

2. 计算机存储器层次结构

计算机中存储设备事实上都被组织成了一个层次结构。

四、操作系统对硬件进行管理

应用程序通过操作系统来对硬件进行操作。
操作系统通过几个基本的抽象概念来实现自己的功能。

文件-对I/O设备的抽象
虚拟内存-对I/O设备和主存的抽象
进程-对I/O设备、主存和CPU的抽象

1.进程和线程

进程是操作系统对一个正在运行的程序的一种抽象。

并发：进程间指令交错执行

并发通过进程间切换来实现，称为上下文切换。

上下文：进程运行所需所有状态信息
上下文切换：保存当前进程上下文，恢复新进程的上下文，然后把控制权交给新进程。

进程的切换由操作系统内核Kernel来管理。

内核：操作系统代码常驻主存的部分。
内核不是一个进程，是系统管理全部进程所用的代码和数据结构的集合。

程序需要操作系统提供的某些操作时，就通过系统调用指令把控制权交给内核，然后内核执行操作后返回应用程序。

进程可以由多个称为线程的执行单元组成。

线程都运行在进程的上下文中，共享进程的数据和空间。
多线程比多进程更好共享数据，线程一般而言也比进程高效。

2.虚拟内存

虚拟内存是一个抽象的概念。它为每个进程提供一种独占内存的假象。

每个进程看到的内存都是一样的，称为虚拟地址空间。

• 程序代码和数据
  所有进程的代码都是从同一固定地址开始，然后是C全局变量对应地址。

• 堆
  动态分配的。

• 共享库
  存放C标准库和数学库等共享库的代码和数据。

• 栈
  用于函数调用。
  调用一个函数，栈增。从一个函数返回，栈缩。

• 内核

3.文件

就是字节序列，每个I/O设备都可看作是一个文件。
文件的概念为应用程序提供了一个统一的视图来看待各种I/O设备。
对于一个单独的系统而言，网络也可视作一个I/O设备，自然也可以视为一个文件。

五、其他

1.Amdahl定理

计算提升系统某一部分性能对系统整体性能提升的影响。

2.并行和并发

并发：同时具有多个活动的系统。
并行：使用并发来让系统运行得更快。

• 线程级并发
  ①单处理器系统：单操作系统+单处理器。
  ②多处理器系统：单操作系统+多处理器。
  ③多核处理器：多个CPU集成到一个芯片上。
  
  ④超线程（同时多线程）：允许一个CPU执行多个控制流。

  常规处理器需要大概20000个时钟周期来进行线程切换。
  超线程处理器可以在单个时钟周期基础上决定执行哪个线程。

• 指令级并行
  可以同时执行多条指令。

• 单指令、多数据并行
  即SIMD，允许一条指令产生多个可以并行执行的操作。
  如：float的加法运算。

3.抽象