深入理解计算机系统-第一章

第一章主要是对计算机系统的一个概述，以及计算机系统与IO设备等如何交互，计算机硬件的抽象等。

1.1 信息 = 位 + 上下文

计算机使用二进制的原因：电子电路采用的基本元件只有通和断两种状态，一切运算在计算机硬件内部都会转换为元件的通和断的状态，使用二进制作为电子计算机的运算语言比较容易实现。

位 bit 表示信息的最小单位只能是0或1
字节 byte 等于8个bit 是计算机数据处理的基本单位

系统中所有的信息：磁盘、程序、用户数据等都是一串bit表示的，在不同的上下文下,同一串bit序列表示的意义可能不同 所以 信息 = 位 + 上下文

1.2 程序的在系统中的编译过程

#include <stdio.h>
int main(){
    printf("hello world");
    return 0;
}


预处理器：读取stdio.h内容 插入程序文本生成 hello.i
编译器：生成汇编程序 hello.s
汇编器：编译成机器语言指令 生成可重定位目标程序 hello.o
链接器：合并调用的函数 例如printf函数已经提前生成了printf.o，得到可执行目标文件hello，可以加载到内存有系统执行

汇编语言:使得不同的高级语言经过编译之后都能得到相同语法、格式的输出语句。

1.3 处理器解读指令集

运行编译后的可执行目标文件 hello

./hello

在shell中输入上述指令，如果指令不是内置的shell命令，就会认为是一个可执行文件 ，加载到内存并运行。

1.3.1系统硬件组成


1. 总线
贯穿整个系统的一组电子管道，称作总线，携带信息字节并在各个部件之间传输

2. I/O设备
I/O设备（输入/输出设备）是系统与外部世界的联系通道，I/O设备通过控制器或适配器与I/O总线相连，在通过I/O桥与系统总线或内存总线相通

3. 主存
是一个临时存储设备，是由一组 DRAM（动态随机存储器）芯片组成，
用来在处理器处理程序时，存储程序和程序处理的数据，逻辑上是一个线性的字节数组。

4. 处理器
即CPU，是解释、执行存储在主存之中的程序的引擎
内部包括寄存器文件，由多个寄存器组成，存储数据；
程序计数器（PC）大小一个字 对应内存中的一个地址，指向主存中某条机器指令的地址
ALU 逻辑运算单元
处理器从通电开始就在不停的执行程序计数器指向的指令，执行完毕PC指向下一条指令
- 加载：从主存中读取数据到寄存器
- 存储：从寄存器读取值覆盖内存中的值
- 操作：复制两个寄存器的内容到ALU进行逻辑运算，结果存储到一个寄存器中
- 跳转：从指令本身中抽取一个字，并将字复制到程序计数器中，覆盖原有值

ps: 一个字是多大 第二章中会介绍
每台计算机都有一个字长，指明指针数据的标称大小
字长为n位 ，一个字的大小就是2^n，可表示的范围即虚拟地址范围 0-2n-1，程序最多访问2n字节。(字节是最小寻址单位 所以是范围*字节）
32位字长机器 2^32 4GB
64位字长机器 2^64 虚拟地址空间 16EB
大多数64位机器可以兼容32机器编译的程序 称为 向后兼容

1.3.2 hello程序运行过程

1.从shell中输入 ./hello，将字符读入寄存器，存储到主存中
2.输入回车 shell程序认为输入结束，shell开始执行一系列命令来加载可执行的hello文件
3.将编译后的hello文件的代码、数据从磁盘复制到主存 （利用了直接存储器存取 DMA 数据不经过CPU 直接从磁盘到内存）
4.CPU开始执行hello文件对应的机器指令，将hello world字符从寄存器复制到显示器输出

1.4 高速缓存 通过特殊总线直接连接处理器 SRAM

程序执行过程中很大一部分时间都是花费在数据的复制上，
磁盘——>内存
主存——>寄存器
寄存器——>I/O设备
存储设备容量越大，存储设备运行越慢。所以磁盘与主存之间、处理器与主存之间读取速度的差距非常大
针对处理器与主存之间的差异，系统设计者采用了更小更快的存储设备，称为高速缓存存储器，作为暂时存储区域，存储处理器近期可能需要的信息

现代处理器中的缓存 L1、L2、L3

1.5 存储设备层次结构

存储器分类：

  • 静态随机存取存储器（SRAM）是随机存取存储器的一种。所谓的“静态”，是指这种存储器只要保持通电，里面储存的数据就可以恒常保持，例如CPU高速缓存

  • 动态随机存取存储器（DRAM）里面所储存的数据就需要周期性地更新,例如主存

  • 只读存储器（ROM）以非破坏性读出方式工作，只能读出无法写入信息。信息一旦写入后就固定下来，即使切断电源，信息也不会丢失，所以又称为固定存储器 例如电脑磁盘

1.6 操作系统对硬件的管理

操作体统是 应用程序、软件和硬件之间的中间层

向应用程序提供了简单、一致的机制来操控复杂的硬件

操作系统对系统硬件进行了抽象

  • 进程
    进程是操作系统对正在运行的程序的一种抽象，感觉同时可以运行多个进程，而每个程序都好像在独占的使用处理器。
    单核CPU 同一个时刻只能运行一个进程，同时运行多个是通过进程切换来交错运行来实行(上下文切换)，因为CPU计算速度远超与文件读取、网络传输等任务。
    多核CPU 则在同一时刻可以运行多个进程
    上下文包含许多信息，包括PC、寄存器文件和主存中的内容，上下文切换就要报错当前进程的状态,加载新进程的上下文，由操作系统内核（kernel）进行，内核不是一个独立的进程，是系统全部进程所用代码和数据结构的集合

  • 线程
    线程是操作系统可识别的最小执行单元
    现代操作系统中一个进程分为多个线程，这些线程共享该进程的上下文——>引发线程安全问题
    多处理器时，多进程可以使得程序运行的更快

  • 虚拟内存
    虚拟内存是主存的抽象概念，让每个进程都有一种独占主存的错觉，每个进程看到的主存是一致的 称为虚拟地址空间

  • 文件
    文件就是字节序列，每个I/O设备磁盘、键盘、显示器设置网络都可以视为文件，系统中的输入输出都通过调用系统函数来读写文件来进行。

1.7 网络通信

随着Internet的出现现代操作系统经常通过网络个其他系统连接到一起。网络可以视为I/O设备。

系统可以从主存复制一段信息到网络视频日期发送到另一台机器
也可以从网络适配器读取其他机器发来的数据

posted @ 2019-06-16 15:30  ShinyRou  阅读(305)  评论(0)  编辑  收藏  举报