深入理解计算机系统第一章

深入理解计算机系统#

1.1##

• 010101（比特序列）八位一字节，一字节表示某些文本字符。ASCII即用单字节大小的整数值表示字符
• 只有ASCII码字符构成的文件为文本文件，其他为二进制文件

1.2##

• 预处理
  • 根据#读取头文件中内容并插入原文本文件.c得到.i文本文件
• 编译
  • 编译器（ccl）将.i文本文件翻译成.s文本文件，包含汇编语言程序
• 汇编
  • 将.s翻译成机械语言指令，打包成可重定位目标程序格式，保存在.o二进制文件中
• 链接
  • 调用printf.o中的printf函数，合并入.o程序，变为可执行目标文件

1.3##

• 了解编译系统——好！

1.4##

• shell是一个命令行解释器

1.4.1##

1. 总线
   • 贯穿整个系统，携带并传递信息字节，通常传输定长的字节块：32位——4字节，64位——8字节
2. I/O设备
   • 输入/输出设备（In/Out）联系系统与外部：键鼠、显示器、磁盘……
   • I/O设备通过控制器或适配器与I/O总线相连。相同的是，控制器和适配器用于在I/O设备和总线之间传递信息。不同的是，控制器是设备本身或系统的主板上的芯片组，适配器是插在主板插槽上的
3. 主存
   • 主存在处理执行程序时用来存放程序和程序处理的数据。物理上是由一组动态随机存取存储器（DRAM）芯片组成。逻辑上是一个线性字节数组
4. 处理器
   • CPU解释主存中指令，核心是程序计数器（PC）（此处核心指关键设备），为一字大小储存设备，PC始终指向主存中某条机械语言指令
   • 处理器从PC指向的内存处读取、结束、执行指令，然后更新PC

1.5##

• 存储空间越大，运行越慢。于是在空间小的高速处理器与空间大的低速主存之间插入高速缓存（cache），利用高速缓存的局部性原理，在高速内存中存放可能经常访问的数据，使大部分操作可在高速缓存中完成。

1.6##

• 通过一个从小到大，从快到慢（寄存器->高速缓存->主存->二级存储）的存储器层次结构，可以提高程序的性能。

1.7##

• 操作系统连接程序和硬件。
• 操作系统的基本功能：
  1. 防止硬件被失控的应用程序滥用
  2. 向应用程序提供简单一致的机制来控制复杂的低级硬件设备

1.7.1##

• 进程是计算机科学中最重要和最成功的概念之一
• 处理器看似并发运行程序，实则交错切换执行。例如需要运行的进程数多于可运行CPU。被称为上下文切换：保存当前进程的上下文、恢复新进程的上下文，将控制权传递到新进程。
• 进程转换由系统内核（kernel）管理，内核是操作系统代码常驻主存的部分，它是系统管理全部进程所用代码和数据结构的集合。
• 第八章

1.7.2##

• 多线程并发balabalaba在第十二章

1.7.3##

低地址

• 程序代码与数据——在开始就被规定大小
• 堆——在运行是可动态扩展或收缩
• 共享库——存放C标准库和数学库这样的公用代码（第七章）
• 栈——编译器用它来实现函数调用，调用增长，返回收缩（第三章）
• 内存虚拟内存——为内核保留，不允许程序读写或调用

高地址

1.7.4##

• 文件就是字节序列，每个I/O设备都可看成文件

1.8##

• 网络可视为一个I/O设备，多个系统通过网络读取/发送其他/自己的数据

1.9##

• 系统是硬件与软件互相交织的集合体

1.9.1##

• Amdahl定律：想要显著加速整个系统，必须提升全系统中相当大的部分的速度（考虑到分权）

1.9.2##

• 并发：一个同时具有多个活动的系统
• 并行：用并发来使一个系统运行地更快
  1. 线程级并发
     • 我们能够设计出同时有多个程序执行的系统，这导致了并发
     • 超线程/同时多线程允许一个cpu执行多个控制流
  2. 指令级并行
     • 流水线通过将执行一条指令所需要的活动划分为不同的步骤，将处理器的硬件组织成一系列的阶段，每个阶段执行一个步骤。这些阶段可以并行地操作，用来处理不同指令的不同部分
  3. 单指令、多数据并行
     • 在最低层次上，一些特殊的硬件允许一条指令产生多个可并行执行的操作，这种方式被称为单指令、多数据。

1.9.3##

• 抽象的使用是计算机科学中最为重要的概念之一。
• 文件是多I/O设备的抽象，虚拟内存是对程序存储器的抽象，进程是对一个正在运行的程序的抽象，虚拟机是对整个计算机的抽象。