程序执行涉及的硬件

程序执行涉及的硬件

一、示例程序代码

#include 

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

源文件为hello.c，是文本文件。为了运行hello.c程序，每条C语句都必须被其他程序转换成一系列的低级机器语言指令。然后这些指令按照一种称为可执行文件（exe）的格式打好包，并以二进制磁盘文件的形式存放起来。

在Unix操作系统上，从源文件到目标文件的转化是由编译器驱动程序完成的：

linux> gcc -o hello hello.c

此刻hello.c已经被编译成了可执行文件hello，并被存放在磁盘上。在Unix系统上运行可执行文件：

linux> ./hello

hello, world

linux>

./hello不是内置的shell命令，它会被认为是可执行文件，被加载并运行。那我们就来探索一下，hello程序运行所涉及的硬件吧

 

二、系统的硬件组成

上图为一个典型系统的硬件组成，以下对其组成部分详细介绍

1、总线

总线，贯穿整个系统的一组电子管道，它携带信息字节并负责在各个部件之间传递。通常总线被设计为传送定长的字节块，也就是字（word）。字中的字节数（即字长）是一个基本的系统参数，各个系统都不尽相同。大多数机器字长要么是4个字节（32位），要么是8个字节（64位）

 

2、I/O设备

I/O（输入/输出）设备是系统与外界世界的联系通道，我们的示例系统包括4个I/O设备：作为用户输入的鼠标、键盘，作为用户输出的显示器，以及用于长期存储数据和程序的磁盘驱动器（简单地说就是磁盘）。最开始，可执行程序hello存放在磁盘上。

每个I/O设备都通过一个控制器或适配器与IO总线相连。控制器和适配器之间的区别主要在于它们的封装方式。控制器是I/O设备本身或系统的主印制电路板（通常称为主板）上的芯片组。而适配器则是一块插在主板插槽上的卡。它们的功能都是在I/O总线和I/O设备之前传递信息。

 

3、主存

主存是一个临时存储设备，在处理器执行程序时，用来存放程序和程序处理的数据。从物理上来说，主存由一组动态随机存储芯片（DRAM）组成。从逻辑上来讲，主存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），这些地址是从零开始的。

 

4、处理器

中央处理单元（CPU），简称处理器，是解释（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）。在任何时刻，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）。

从系统通电开始，直到系统断电，处理器一直在不断地执行程序计数器指向的指令，再更新程序计数器，使其指向下一条指令。下一条指令不一定和在内存中刚刚执行的指令相邻。

寄存器文件是一个小的存储设备，由一些单个字长的寄存器组成，每个寄存器都有唯一的名字。ALU计算新的数据和地址值。下面是一些简单的操作例子，CPU在指令的要求下可能会执行这些操作。

• 加载：从主存复制一个字节或一个字到寄存器，以覆盖寄存器原来的内容

• 存储：从寄存器复制一个字节或者一个字到主存的某个位置，以覆盖这个位置原来的内容

• 操作：把两个寄存器的内容复制到ALU，ALU对这两个字做算术运算，并将结果存放到一个寄存器中，以覆盖该寄存器中原来的内容

• 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

 

三、运行hello程序

初始时，shell程序执行它的指令，等待我们输入一个命令。当我们在键盘上输入字符串"./hello"后，shell程序将字符逐一读入寄存器，再把它存放在内存中。

 

当我们在键盘上敲回车键时，shell程序就知道我们已经结束了命令的输入。然后shell执行一系列指令来加载可执行的hello文件，这些指令将hello目标文件中的代码和数据从磁盘复制到主存。数据包括最终会被输出的字符串“hello, world\n”。

利用直接存储器访问（DMA）技术，数据可以不通过处理器，而直接从磁盘到达主存。

 

一旦目标文件hello中的代码和数据被加载到主存，处理器就开始执行hello程序的main方法的机器语言指令。这些指令将“hello, world\n”字符串中的字节从主存复制到寄存器文件，再从寄存器文件中复制到显示设备，最终显示在屏幕上。

 

四、高速缓存

这个简单的示例揭示了一个重要的问题，即系统花费了大量的时间把信息从一个地方挪到另一个地方。hello程序的机器指令最初是存放在磁盘上，当程序加载时，它们被复制到主存；当处理器运行程序时，指令又从主存复制到处理器。这些复制就是开销，减慢了程序“真正”的工作。

根据机械原理，较大的存储设备要比较小的存储设备运行得慢，而快速设备的造价远高于同类的低速设备。一个典型系统上磁盘驱动器可能比主存大1000倍，但是对于处理器而言，从磁盘驱动器上读取一个字的时间开销要比从主存中读取的开销大1000万倍。

类似地，一个典型的寄存器文件只存储几百字节的信息，而主存里可以存放几十亿字节。然而，处理器从寄存器文件读数据比从主存中读数据几乎要快100倍。更麻烦的是，随着这些年半导体技术的进步，这种处理器与主存之间的差距还在持续增大。加快处理器的运行速度比加快主存的运行速度要容易和便宜得多。

针对这种处理器与主存之间的差异，系统设计者采用了更小更快的存储设备，称为高速缓存存储器（cache memory，简称为cache或高速缓存），作为暂时的集结区域，存放处理器近期可能会需要的信息。位于处理器芯片上的L1高速缓存的容量可以达到数万字节，访问速度几乎和访问寄存器文件一样快。一个容量为数十万到数百万字节的更大的L2高速缓存通过一条特殊的总线连接到处理器。进程访问L2高速缓存的时间要比访问L1高速缓存的时间长5倍，但这仍然比访问主存的时间快5~10倍。

利用局部性原理（即程序具有访问局部区域里的数据和代码的趋势），在高速缓存里存放可能经常访问到的数据，大部分的内存操作都能在快速的高速缓存中完成。

 

 

五、参考资料

1、《深入理解计算机系统》（第三版）第一章 计算机系统漫游