csapp读书笔记1-计算机系统漫游

数据信息

hello.c

#include <stdio.h>

int main()
{
    printf("hello,world\n");
    return 0;
}

文件若是只含有ascii字符，那么就是文本文件，若是包含其余字符，就是二进制文件

编译

hello.c通过四个步骤，生成hello可执行文件

• 预处理：读取源文件hello.c，识别#include<stdio.h>的头文件内容，插入源文件，生成hello.i
• 编译：将hello.i翻译生成汇编代码hello.s
• 汇编：将hello.o翻译生成机器语言文件hello.o
• 连接：hello程序调用了printf，这个函数已经存放在预编译的文件printf.o中，连接步骤就是用来将这个函数整合到hello.o中，最后生成hello文件。该文件能够被操做系统执行

了解编译系统的好处

• 优化程序性能
• 理解连接时出现的错误
• 避免安全漏洞

计算机硬件组成

• 总线：贯穿硬件系统的一组电子通道，在各个部件之间传输字节。字节数据以字(word)为单位传输，现代计算机都是字长都是4字节或者8字节。有IO总线、系统总线、内存总线
• IO设备：系统与外部联系的通道，每一个IO设备经过控制器或适配器与IO总线想连。图中包含四个IO设备：鼠标、键盘、显示器、硬盘
• 主存：由一组动态随机访问存储器（DRAM）组成，用来存取数据
• 处理器：读取执行存储在主存中的指令。包含：程序计数器（PC），用来存储内存中某条指令地址；寄存器文件，存储少许数据；算法/逻辑单元（ALU），用来作简单计算

hello执行流程

首先，当输入"./hello"时，shell读取输入字符到寄存器，而后放入主内存

接着，当输入回车时，shell查找硬盘上的hello文件，加载进主内存

最后，cpu读取hello程序中main函数的机器指令并执行。示例指令中，会从主存拷贝"hello,world\n"字符串的字节到寄存器文件，再从寄存器文件拷贝到显示设备，最终显示在屏幕

高速缓存

hello程序执行步骤存在大量从内存到寄存器之间的拷贝操做。相比较寄存器，在内存操做数据会慢不少，大量拷贝操做存在于两端时，会致使内存端成为瓶颈。为了打破瓶颈提升性能，系统设计者提出了高速缓存的概念。它位于寄存器和主存之间。当缓存大量命中时，可减小cpu对主存数据的依赖。

考虑两个高速缓存的状况：寄存器-L1-L2-主存

L1和L2经过静态随机访问存储器（SRAM）硬件技术实现，L1位于处理器芯片，访问速度媲美寄存器，L2经过特殊总线链接处理器，速度为L1的5倍，主存在最后，访问速度为L2的5-10倍

存储器层次结构

操做系统管理硬件

• 进程：软件上说是操做系统对正在运行的程序的抽象，硬件上说是操做系统对处理器、主存、IO设备的抽象，利用主存和IO设备存储进程的指令和数据，利用处理器切换执行多进程
• 线程：在进程内，共享内存和数据，更加轻量级
• 虚拟内存：操做系统对主存和IO设备的抽象，利用主存和IO设备存储虚拟内存的数据
• 文件：操做系统对IO设备的抽象，操做文件就是操做各个IO设备

网络

网络也是一个IO设备。系统将数据从主存拷贝到网络适配器，通过网络，目的机器的系统读取网络适配器上的数据，拷贝到主存。这样就完成了数据在网络间的传输

并发与并行

现代计算机发展的两个目标：计算机作的更多，计算机运行更快。前者也就是并发，后者也就是并行，这两个关键字在现代计算机的体现以下

• 线程级并发：一个进程中有多个控制流，采用多核处理器，可使同时执行这些控制流，以加快程序运行速度
• 指令级并行：现代处理器能够在一个周期处理多条指令
• 单指令、多数据并行（SIMD并行）：将一条指令拆成多条，并行执行

图示为四核处理器，每一个核都有本身的寄存器、L1高速缓存（分为数据、指令）、L2高速缓存，四个核在一个芯片上，共享一个L3高速缓存，全部处理器芯片共享一个主存

抽象

总结

源程序以ascii文本形式存储，被编译器和连接器翻译成可执行的二进制文件。

处理器读取并处理二进制程序中的指令和数据时，会花费大量时间在寄存器、主存、IO设备之间拷贝数据。为了加速该过程，系统引入高速缓存，将系统分为cpu寄存器-高速缓存-主存-硬盘的多层结构。

操做系统内核做为应用程序和硬件之间的媒介，提供了一层抽象。

• 文件：对IO设备的抽象
• 虚拟内存：对主存和IO设备的抽象
• 进程：对处理器、主存、IO设备的抽象

虚拟机又提供了基于操做系统、处理器、主存、IO设备的抽象

网络做为一种特殊的IO设备，提供了计算机系统之间通讯的能力