《深入理解计算机系统》笔记

第一章 计算机系统漫游

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以GCC编译器驱动程序为例，它读取源程序文件hello.c，并把它翻译成一个可执行目标文件hello。这个翻译过程可分为四个阶段。

预处理阶段：预处理器根据以字符#开头的命令，修改原始的C程序，将程序代码中包含的系统头文件直接插入程序文本中。（处理结果：hello.i）

编译阶段：翻译成汇编语言程序（处理结果：hello.s）

汇编阶段：翻译成机器语言指令（处理结果：hello.o）

链接阶段：调用printf函数，printf函数存在于一个名为printf.o的单独的预编译好了的目标文件中，而这个文件必须以某种方式合并到我们的Hello.o程序中。链接器就负责处理这种合并。（处理结果：Hello文件，是一个可执行目标文件，或简称为可执行文件，可以被加载到内存，由系统执行）。

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系统的硬件组成：

1. 总线：携带信息字节并负责在各个部件间传递。通常总线被设计成传送定长的字节块，也就是字（word）。字中的字节数（即字长）是一个系统的基本参数。大多是机器中，要么4个字节（32位），要么8个字节（64位）。（所以总线是一个字一个字的传输的，一次性4个字节或8个字节）

2. I/O设备：键盘，鼠标，显示器，存储用的磁盘驱动器（磁盘）。从一个单独的系统来看，网络也可视为一个I/O设备。

3. 主存：临时存储设备，在CPU执行程序时，用来存放程序和程序处理的数据。从物理上来讲，是一组动态随机存取存储器（DRAM）芯片组成。从逻辑上来讲，是一个线性的字节数组，每个字节都有其唯一的地址（数组索引），这些地址是从0开始的。

4. 中央处理单元（CPU，简称处理器）：解释或执行存储在主存中指令的引擎。处理器的核心是一个大小为一个字的存储设备（或寄存器），称为程序计数器（PC）。任何时候，PC都指向主存中某条机器语言指令（即含有该条指令的地址）。要么是当前正在执行的指令的地址，要么是下一刻即将执行的指令的地址。除此之外，CPU中还有，寄存器文件，是有一些单个字长的寄存器组成，每个寄存器都有唯一的名字。算术／逻辑单元（ALU），计算新的数据和地址值。

所以，CPU在指令的要求下可能会执行这些操作：加载，存储，操作，跳转（从指令本身中抽取一个字，并将这个字复制到程序计数器PC中，以覆盖PC中原来的值）。

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进程是操作系统对一个正在运行的程序的抽象。个人更喜欢它的狭义定义，进程是正在运行的程序的实例。

并发运行指一个进程的指令和另一个进程的指令是交错执行的。操作系统实现这种交错执行的机制称为上下文切换。

操作系统保持跟踪进程运行所需的所有状态信息。这种状态，也就是上下文，包括许多信息，比如PC和寄存器文件的当前值，以及主存的内容。

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Amdahl定律：当我们对系统的某一个部分加速时，其对系统整体性能的影响取决于该部分的重要性(a)和加速程度(k)。

T(new) = (1 - a)T(old) + aT(old)/k

加速比S = T(old) / T(new)

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大多数计算机使用8位的块，或者字节（Byte），来作为最小的可寻址的内存单位，而不是访问内存中单独的一个二进制位。

系统将随机访问存储器（DRAM），闪存，磁盘存储器，特殊硬件和操作系统软件结合起来，为程序提供一个看上去统一的字节数组，称为虚拟内存。

内存的每个字节都由一个唯一的数字来标识（每个字节都绑定一个数字），称为它的地址。所有可能地址的集合就称为虚拟地址空间。

（即用32位或64位的地址来绑定每一个8位的字节）

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二进制和十进制符号表示法对于描述位模式来说都不是非常方便。二进制表示法太冗长，而十进制表示法与位模式的互相转化很麻烦。替代的方法是十六进制。（hexadecimal）

在C语言中，以0x或0X开头的数字常量被认为是十六进制的数。字符‘A’到‘F’可以大写，可以小写，甚至大小写混合。

P28

无论是32位系统编译还是64位系统编译，int32_t都是4个字节，int64_t都是8个字节。

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在几乎所有的机器上，多字节对象都被存储在连续的字节序列，对象的地址为所使用字节中最小的地址。

大端法：最高有效字节从低地址处开始，往高地址排布

小端法：最低有效字节从高地址处开始，往低地址排布

P 40

左移运算<<，x<

右移运算分为逻辑右移和算术右移，逻辑右移是在左端补k个0，算术右移是在左端补k个最高有效位。

另外，加减运算符的优先级高于移位运算符。

P47

对于无符号位的整数（unsigned int，非负整数），用无符号数编码。B2U和U2B。一个8位的无符号二进制数，所表示的数的范围是从0到2的8次方减1。

对于有符号位的整数（int，可能负数），用补码编码。B2T和T2B。一个8位的有符号二进制数，所表示的数的范围是负2的7次方到2的7次方减1。

补码编码中，最高有效位也称为符号位，它的权重是负2的位数-1次方。

例如对于一个8位的有符号二进制数，

最小值是0x80表示负2的7次方，即-128，

要表示最大值时，就得使有负权重的最高有效位上的数字为0，剩下的位都为1，即2的7次方减1，结果就是127,

0xff表示最高权重上的负2的7次方加上剩余各位的2的7次方减1，结果就是-1。

i = 0x80;        //0x1000 0000 = 负2的7次方 = -128

printf("%d\n", i); // -128

i = 0x7f;       //0x0111 1111 = 2的7次方 - 1 = 127    

printf("%d\n", i); // 127

int8_t i = 0xff; //0x1111 1111 = 负2的7次方 + 0x111 1111 = 负2的7次方 + 2的7次方 - 1 = -1

printf("%d\n", i); // -1

有符号数的其他表示方法：反码和原码。这两种表示方法中，对于数字0有两种不同的编码方式。正0和负0。

但因为几乎所有的现代机器都使用补码表示有符号数，这里暂时不多介绍。