csapp讀書筆記1-計算機系統漫遊

數據信息

hello.c

#include <stdio.h>

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

文件若是隻含有ascii字符，那麼就是文本文件，若是包含其餘字符，就是二進制文件

編譯

hello.c通過四個步驟，生成hello可執行文件

• 預處理：讀取源文件hello.c，識別#include<stdio.h>的頭文件內容，插入源文件，生成hello.i
• 編譯：將hello.i翻譯生成彙編代碼hello.s
• 彙編：將hello.o翻譯生成機器語言文件hello.o
• 連接：hello程序調用了printf，這個函數已經存放在預編譯的文件printf.o中，連接步驟就是用來將這個函數整合到hello.o中，最後生成hello文件。該文件能夠被操做系統執行

瞭解編譯系統的好處

• 優化程序性能
• 理解連接時出現的錯誤
• 避免安全漏洞

計算機硬件組成

• 總線：貫穿硬件系統的一組電子通道，在各個部件之間傳輸字節。字節數據以字(word)爲單位傳輸，現代計算機都是字長都是4字節或者8字節。有IO總線、系統總線、內存總線
• IO設備：系統與外部聯繫的通道，每一個IO設備經過控制器或適配器與IO總線想連。圖中包含四個IO設備：鼠標、鍵盤、顯示器、硬盤
• 主存：由一組動態隨機訪問存儲器（DRAM）組成，用來存取數據
• 處理器：讀取執行存儲在主存中的指令。包含：程序計數器（PC），用來存儲內存中某條指令地址；寄存器文件，存儲少許數據；算法/邏輯單元（ALU），用來作簡單計算

hello執行流程

首先，當輸入"./hello"時，shell讀取輸入字符到寄存器，而後放入主內存

接着，當輸入回車時，shell查找硬盤上的hello文件，加載進主內存

最後，cpu讀取hello程序中main函數的機器指令並執行。示例指令中，會從主存拷貝"hello,world\n"字符串的字節到寄存器文件，再從寄存器文件拷貝到顯示設備，最終顯示在屏幕

高速緩存

hello程序執行步驟存在大量從內存到寄存器之間的拷貝操做。相比較寄存器，在內存操做數據會慢不少，大量拷貝操做存在於兩端時，會致使內存端成爲瓶頸。爲了打破瓶頸提升性能，系統設計者提出了高速緩存的概念。它位於寄存器和主存之間。當緩存大量命中時，可減小cpu對主存數據的依賴。

考慮兩個高速緩存的狀況：寄存器-L1-L2-主存

L1和L2經過靜態隨機訪問存儲器（SRAM）硬件技術實現，L1位於處理器芯片，訪問速度媲美寄存器，L2經過特殊總線鏈接處理器，速度爲L1的5倍，主存在最後，訪問速度爲L2的5-10倍

存儲器層次結構

操做系統管理硬件

• 進程：軟件上說是操做系統對正在運行的程序的抽象，硬件上說是操做系統對處理器、主存、IO設備的抽象，利用主存和IO設備存儲進程的指令和數據，利用處理器切換執行多進程
• 線程：在進程內，共享內存和數據，更加輕量級
• 虛擬內存：操做系統對主存和IO設備的抽象，利用主存和IO設備存儲虛擬內存的數據
• 文件：操做系統對IO設備的抽象，操做文件就是操做各個IO設備

網絡

網絡也是一個IO設備。系統將數據從主存拷貝到網絡適配器，通過網絡，目的機器的系統讀取網絡適配器上的數據，拷貝到主存。這樣就完成了數據在網絡間的傳輸

併發與並行

現代計算機發展的兩個目標：計算機作的更多，計算機運行更快。前者也就是併發，後者也就是並行，這兩個關鍵字在現代計算機的體現以下

• 線程級併發：一個進程中有多個控制流，採用多核處理器，可使同時執行這些控制流，以加快程序運行速度
• 指令級並行：現代處理器能夠在一個週期處理多條指令
• 單指令、多數據並行（SIMD並行）：將一條指令拆成多條，並行執行

圖示爲四核處理器，每一個核都有本身的寄存器、L1高速緩存（分爲數據、指令）、L2高速緩存，四個核在一個芯片上，共享一個L3高速緩存，全部處理器芯片共享一個主存

抽象

總結

源程序以ascii文本形式存儲，被編譯器和連接器翻譯成可執行的二進制文件。

處理器讀取並處理二進制程序中的指令和數據時，會花費大量時間在寄存器、主存、IO設備之間拷貝數據。爲了加速該過程，系統引入高速緩存，將系統分爲cpu寄存器-高速緩存-主存-硬盤的多層結構。

操做系統內核做爲應用程序和硬件之間的媒介，提供了一層抽象。

• 文件：對IO設備的抽象
• 虛擬內存：對主存和IO設備的抽象
• 進程：對處理器、主存、IO設備的抽象

虛擬機又提供了基於操做系統、處理器、主存、IO設備的抽象

網絡做爲一種特殊的IO設備，提供了計算機系統之間通訊的能力