深入理解计算机系统 第一章 笔记

深入理解计算机系统 笔记

第一章 计算机系统漫游

信息就是位 + 上下文

位 = bit 8位 = 8bit = 1byte = 1字节

程序被其他程序翻译成不同的格式

• 源程序 hello.c -> 预处理器 (cpp)
• hello.i -> 编译器 (ccl)
• hello.s -> 汇编器 (as)
• hello.o (bin)
• printf.o (bin)
• ... -> 链接器 (ld)
• hello可执行目标程序 (bin)

预处理阶段

读取源程序的头文件的内容，插入程序文本，得到另一个C程序 hello.i

编译阶段

将程序翻译成汇编语言，包含程序main的定义，hello.i -> hello.s

汇编阶段

将汇编语言翻译成机器语言指令，并将指令打包成 可重定位目标程序，hello.s -> hello.o (bin)

链接阶

程序中调用的函数存在于标准C库中，而该函数存在于单独预编译好的目标文件中 链接器负责将这类文件合并到我们的程序中，之后得到 可执行目标文件

了解编译系统如何工作是大有益处的

不要教编译器优化代码

系统的硬件组成

• 总线
• I/O设备
• 主存 (内存)
• 处理器

总线

贯穿整个系统的电子管道，负责在各个部件之间传递信息字节。 总线被设计成传送定长的字节块，也就是 字 字长是操作系统的基本参数： 8位 = 字节 16位 = 字 32位 = 双字 64位 = 四字

I/O设备

I/O设备时系统与外部世界的联系通道。 每个I/O设备都通过一个控制器或适配器与I/O总线相连，两者的区别在于封装方式的不同。 控制器是I/O设备本身或主板的芯片组；适配器是插在主板上的卡。

主存

主存由DRAM芯片组成 逻辑上可看成线性的字节数组，没个字节都有唯一的地址 (数组索引)

处理器

CPU 是解释或执行储存在主存中指令的引擎。 其核心是一个大小为一个字的 寄存器 ，称为 程序计数器 (PC) PC指向主存中含有该条指令的地址。 从通电开始到断电技术，处理器一直在不断地执行PC指向的指令，再更新PC指向的地址。 处理器按照指令执行模型来操作，这个模型由 指令集架构 决定。

解释或执行指令的操作围绕着 主存，寄存器文件和算数/逻辑单元 (ALU)

高速缓存

现代处理器主要分为 L1, L2, L3 三级缓存，而 L0 指的是CPU寄存器。速度逐级减少。

进程

进程是操作系统对一个正在运行的程序的一种抽象。 在一个系统上可以同时运行多个进程，而每个进程都好像在独占硬件。 并发 是说一个进程的指令和另一个进程的指令时交错执行的。

无论在单核还是多核系统中，一个CPU看上去都是在并发的执行多个进程，这是通过处理器在进程间的切换来实现的。 操作系统实现这种交错执行的机制成为 上下文切换 。

上下文切换

当系统决定要把控制权从当前进程转移到某个新进程时，就会执行 上下文切换 即 保存当前进程的上下文、恢复新进程的上下文、将控制权转移到新进程，新进程会从它上次停止的地方开始。

上下文切换的操作是由操作系统的 内核管理的 内核不是独立的进程，它是系统管理全部进程所用代码和数据结构的集合

线程

在现代操作系统中，一个进程实际上可以由多个称为 线程 的执行单元组成

虚拟内存

虚拟内存是一个抽象概念，它为每个进程提供了一个假象，即每个进程都在 独占主存，每个进程看到的内存都是一致的，称为 虚拟地址空间

虚拟内存的进本思想是把一个进程虚拟内存的内容存储在硬盘上，然后用主存作为高速缓存

虚拟地址空间

程序代码和数据

对所有进程来说，代码是从同一固定地址开始 代码和数据区在进程开始时就被置顶了大小

堆

堆可以在进程运行时动态地拓展和收缩

共享库

存放C标准库之类的共享库代码和数据的区域

栈

编译器用栈来实现函数调用，栈在程序执行期间可以动态的拓展和收缩 特别的，每当我们调用一个函数时，栈就会增长；从一个函数返回时，栈就会收缩 注：方法的压栈和弹栈

内核虚拟内存

地址顶部空间区域是为内核保留的 不允许应用程序读写或直接调用内核代码定义的函数，相反的，应该通过调用内核，通过内核来执行函数

Amdahl定律

当我们对系统的某个部分加速时，其对系统整体性能得影响取决于该部分的重要性和加速程度。 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。

并发和并行

并发

指一个同时具有多个活动的系统

并行

指使用 并发 来使一个系统运行得更快

• 线程级并发
• 指令级并行
• 单指令、多指令并行

计算机系统中的抽象

• 文件 - I/O设备的抽象
• 虚拟内存 - 程序存储器的抽象
• 进程 - 正在运行的程序的抽象
• 虚拟机 - 整个计算机的抽象