程序在計算機上的運行原理

計算機的組成

          計算機是由硬件和軟件組成的，這兩個部分共同協做完成程序的運行。這兩部分如何協做完成程序的運行，是本系列的重點。

 

信息的表示

          信息的表示說到底就是位加上下文。舉個小例子，好比11011101這一串二進制，在表示整數的時候它表示221，可是若是放在JAVA的class文件當中，它可能表明一個JVM的指令。

 

程序的編譯

          對於一個簡單的C語言程序來講，通常要通過預處理器、編譯器、彙編器和連接器的處理，才能被翻譯成一段可執行的二進制文件。

          好比對於一個簡單的C語言程序，以下。

#include <stdio.h>int main()
{
     printf("hello,world\n");    
}

          咱們保存在hello.c當中，那麼它的翻譯過程以下。

程序的運行 

          程序的運行由解釋器負責，它將逐個解釋最終生成的二進制文件並執行。

 

計算機的硬件組成

          首先，咱們來看下計算機中硬件的大體分佈，以下圖。

           其中有幾個很是重要的部分，一一看下都是什麼做用。

           總線：貫穿整個系統的是一組電子管道（其實就是傳輸數據的線路），也就是總線。總線傳送的是字，字的大小與系統相關，好比在32位操做系統當中，一個字是4個字節。

           I/O設備：I/O設備是系統與外部聯繫的通道。I/O設備（鍵盤、鼠標、顯示器等）由控制器（USB控制器）或者適配器（圖形適配器，也就是顯卡）與I/O總線相連，二者的區別在於一個是主板上的芯片組，一個是主板插槽上的卡。

           主存：它是計算機中的一個臨時存儲設備，在處理器執行程序的時候，主存就是臨時存放數據的地方。物理上來講，它是由動態隨即存取存儲器芯片組成，邏輯上來講，它是一組連續的字節數組，每個字節都有惟一的地址。

           處理器：全稱中央處理單元，是解釋存儲在主存中指令的引擎。處理器的核心是一個程序計數器，它在整個計算機運行的期間都會指向一個主存中的一個內存地址，而地址當中則是一個計算機指令。處理器所作的，就是不停的執行程序計數器所指向的每一條指令。處理器所作的操做是圍繞主存、寄存器文件以及算術/邏輯單元進行的，這裏面處理器作的最多的動做就是加載（從主存將數據複製到寄存器）、存儲（從寄存器將數據複製到主存）、操做（將兩個寄存器的內容複製到算術/邏輯單元進行操做，結果會再次複製到寄存器）以及跳轉（改變程序計數器當中的內容）。

           處理器當中提到的是指令集結構，不過實際當中指令集的實現是很是複雜的，這麼作的目的是爲了加速CPU的運算速度。咱們能夠這樣去區分指令集機構以及微體系結構，指令集結構是指令集的抽象描述，而微體系結構則是這個抽象描述的某一個具體實現，相似於JAVA虛擬機與JAVA虛擬機實現的關係。

 

總結 ：計算機是由軟件與硬件組成的，而硬件又包括了總線、I/O設備、主存以及處理器，其中信息是由位以及上下文表示的，而信息則是從I/O設備以位的形式經過總線進入主存，而後由處理器從主存將信息取出處理。

           一個程序的執行，是經歷了預處理器、編譯器、彙編器以及連接器的處理以後，才最終成爲可執行的文件。當程序成爲可執行文件時就已經保存在了磁盤上，具體的執行過程在下一章再總結。

 

Hello world的執行

           咱們以linux系統爲例，當咱們執行一個簡單的打印字符串的C程序時，咱們須要在命令行輸入./hello以及回車去執行該程序。在整個執行過程當中，計算機主要作了三件事，或者說經歷了三個階段來完成程序的運行。

 

一、linux的外殼掃描用戶輸入的字符

           當咱們在鍵盤輸入./hello時，linux的外殼程序（也就是命令行）會掃描咱們輸入的字符，將這些字符一一讀入到寄存器當中，而後再一一放入主存。換句話說，./hello這幾個字符是通過了CPU中的寄存器從而到達了主存。下面LZ將這一過程的圖示畫出來。

 

二、加載hello文件的代碼以及數據到主存

            這一過程的觸發是在咱們按下回車的那一刻，此時系統會將存儲在磁盤上的hello文件加載到主存，而此過程會利用一種叫作存儲器存取的技術，使得數據不經過寄存器直接到達主存。下圖是這一過程的圖示。

 

 

三、根據主存中代碼的指令執行程序

            在代碼以及程序所須要的數據加載到主存後，CPU就開始從main函數的起始位置，依次執行代碼中的指令。因爲咱們的代碼只是簡單的輸出「hello world」這樣的字符串，所以系統只是將這個字符串依次加載到寄存器，而後傳輸到顯示器終端顯示。這個過程以下圖。

 

總結 ：本章只是簡單的介紹了一下hello程序的執行過程，咱們能夠簡單的這麼理解，hello程序的執行，其實就是將數據和代碼加載到主存，並由CPU從主存獲取指令從而執行的過程。

 

原文連接：http://www.cnblogs.com/zuoxiaolong/archive/2013/09/20/computer1.html