计算机原理之程序是怎么运行的



计算机的组成

      计算机是由硬件和软件组成的,这两个部分共同协作完成程序的运行。这两部分如何协作完成程序的运行,是本系列的重点。

 

信息的表示

      信息的表示说到底就是位加上下文。举个小例子,比如11011101这一串二进制,在表示整数的时候它表示221,但是如果放在JAVA的class文件当中,它可能代表一个JVM的指令。

 

程序的编译

      对于一个简单的C语言程序来说,一般要经过预处理器、编译器、汇编器和链接器的处理,才能被翻译成一段可执行的二进制文件。

      比如对于一个简单的C语言程序,如下。

#include int main()
{
     printf("hello,world\n");    
}

      我们保存在hello.c当中,那么它的翻译过程如下。

程序的运行 

      程序的运行由解释器负责,它将逐个解释最终生成的二进制文件并执行。

 

计算机的硬件组成

      首先,我们来看下计算机中硬件的大致分布,如下图。

       其中有几个非常重要的部分,一一看下都是什么作用。

      总线贯穿整个系统的是一组电子管道(其实就是传输数据的线路),也就是总线。总线传送的是字,字的大小与系统相关,比如在32位操作系统当中,一个字是4个字节。

      I/O设备I/O设备是系统与外部联系的通道。I/O设备(键盘、鼠标、显示器等)由控制器(USB控制器)或者适配器(图形适配器,也就是显卡)与I/O总线相连,两者的区别在于一个是主板上的芯片组,一个是主板插槽上的卡。

      主存它是计算机中的一个临时存储设备,在处理器执行程序的时候,主存就是临时存放数据的地方。物理上来说,它是由动态随即存取存储器芯片组成,逻辑上来说,它是一组连续的字节数组,每一个字节都有唯一的地址。

      处理器全称中央处理单元,是解释存储在主存中指令的引擎。处理器的核心是一个程序计数器,它在整个计算机运行的期间都会指向一个主存中的一个内存地址,而地址当中则是一个计算机指令。处理器所做的,就是不停的执行程序计数器所指向的每一条指令。处理器所做的操作是围绕主存、寄存器文件以及算术/逻辑单元进行的,这里面处理器做的最多的动作就是加载(从主存将数据复制到寄存器)、存储(从寄存器将数据复制到主存)、操作(将两个寄存器的内容复制到算术/逻辑单元进行操作,结果会再次复制到寄存器)以及跳转(改变程序计数器当中的内容)。

       处理器当中提到的是指令集结构,不过实际当中指令集的实现是非常复杂的,这么做的目的是为了加速CPU的运算速度。我们可以这样去区分指令集机构以及微体系结构,指令集结构是指令集的抽象描述,而微体系结构则是这个抽象描述的某一个具体实现,类似于JAVA虚拟机与JAVA虚拟机实现的关系。

 

总结 :计算机是由软件与硬件组成的,而硬件又包括了总线、I/O设备、主存以及处理器,其中信息是由位以及上下文表示的,而信息则是从I/O设备以位的形式通过总线进入主存,然后由处理器从主存将信息取出处理。

       一个程序的执行,是经历了预处理器、编译器、汇编器以及链接器的处理之后,才最终成为可执行的文件。当程序成为可执行文件时就已经保存在了磁盘上,具体的执行过程在下一章再总结。

 

Hello world的执行

       我们以linux系统为例,当我们执行一个简单的打印字符串的C程序时,我们需要在命令行输入./hello以及回车去执行该程序。在整个执行过程中,计算机主要做了三件事,或者说经历了三个阶段来完成程序的运行。

 

1、linux的外壳扫描用户输入的字符

       当我们在键盘输入./hello时,linux的外壳程序(也就是命令行)会扫描我们输入的字符,将这些字符一一读入到寄存器当中,然后再一一放入主存。换句话说,./hello这几个字符是经过了CPU中的寄存器从而到达了主存。下面LZ将这一过程的图示画出来。

 

2、加载hello文件的代码以及数据到主存

       这一过程的触发是在我们按下回车的那一刻,此时系统会将存储在磁盘上的hello文件加载到主存,而此过程会利用一种叫做存储器存取的技术,使得数据不通过寄存器直接到达主存。下图是这一过程的图示。

 

 

3、根据主存中代码的指令执行程序

       在代码以及程序所需要的数据加载到主存后,CPU就开始从main函数的起始位置,依次执行代码中的指令。由于我们的代码只是简单的输出“hello world”这样的字符串,因此系统只是将这个字符串依次加载到寄存器,然后传输到显示器终端显示。这个过程如下图。

 

总结 :本章只是简单的介绍了一下hello程序的执行过程,我们可以简单的这么理解,hello程序的执行,其实就是将数据和代码加载到主存,并由CPU从主存获取指令从而执行的过程。

 

原文链接:http://www.cnblogs.com/zuoxiaolong/archive/2013/09/20/computer1.html

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