了解程序编译、运行过程

了解程序编译、运行过程

计算机系统是由硬件和软件系统组成的，它们共同工作来运行应用程序。

程序编译

系统中所有的信息——包括磁盘文件、存储器中的程序、存储器中存放的用户数据以及网络上传送的数据，都是由一串位表示的。区分不同数据对象的唯一方法是读到这些数据对象时的上下文。如，在不同的上下文中，一个同样的字节序列可能表示一个整数、浮点数、字符串或者机器指令。

一个程序的生命周期是从一个高级C语言程序（能够被人读懂）开始，这种程序必须能够被其他程序转化为一系列的低级机器语言指令，然后这样的指令可以按照可执行目标程序的格式打包，并以二进制磁盘文件的形式存放。目标程序被称为可执行目标文件。

一个.c文件到翻译成可执行目标文件的过程需编译系统完成。编译系统主要由以下四个截断的程序组成：预处理器、编译器、汇编器和链接器。

预处理阶段：预处理器（cpp）根据以字符#开头的命令，修改原始的C程序。此时得到的程序以.c作为文件扩展名。
编译阶段：编译器（ccl）将文本文件.i翻译成文本文件.s，它包含一个汇编语言程序。汇编语言是低级机器语言指令，它为不同高级语言的不同编译器提供了通信的输出语言。
汇编阶段：汇编器（as）将.s翻译成机器语言指令，把这些指令打包成一种可重定位目标程序的格式，并将结果保存在目标文件.o中。.o是一个二进制文件，它的字节编码是机器语言指令而不是字符。
链接阶段：链接器(ld）负责将多个.o文件进行合并，从而得到一个可执行文件，从而可以被加载到内存中，由系统执行。

了解程序的编译过程主要的优点如下对：优化程序的性能，理解链接时出现的错误，避免安全漏洞等直观重要。

系统硬件组成

总线：主要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，即字。字中的字节数（字长）是一个基本的系统参数，在各个系统中的情况都不尽相同。多数机器字长为4字节，也有字长为8字节的系统。

I/O设备：输入/输出设备是系统与外部世界的联系通道。系统包括4个I/O设备：键盘、鼠标、显示器、磁盘。I/O设备都通过一个控制器或适配器与I/O总线相连。控制器与适配器区别是他们的封装方式不同，控制器是置于I/O设备本身的或者系统的主印制电路板上（主板）上的芯片组，而适配器则是一块插在主板插槽上的卡。

主存：主存是临时存储设备，在处理器执行程序时，用来存放程序和程序处理的数据，主存是由一组动态随机存取存储器（DRAM）芯片组成的。从逻辑角度看，主存储器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。

处理器：中央处理单元（CPU），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字节的存储设备（或寄存器），称为程序计数器（PC）。在任何时刻，PC都指向主存中的某条机器语言指令（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。处理器按照指令执行模型来操作的，而此模型是由指令集结构决定的。在此模型中，指令按照严格的顺序执行，而执行一条指令包含一系列的步骤。处理器是从程序计数器（PC）指向的存储区读取指令，解释指令中的位，执行该指令指示的简单操作，然后更新PC，使其指向下一条指令，而这条指令并不一定与存储器中刚刚执行的指令相邻。而操作主要围绕主存、寄存器文件和算法/逻辑单元（ALU）进行的。CPU在指令的要求下可能会执行以下操作：

加载：把一个字节或者一个字从主存复制到寄存器，以覆盖寄存器原来的内容。
存储：把一个字节或者一个字从寄存器复制到主存的某个位置，以覆盖这个位置上原来的内容。
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，以覆盖这个位置上原来的内容。
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。

处理器使用了非常复杂的机制来加速程序的执行。可以区分处理器的指令集结构和微体系结构：指令结构指的是每条机器代码指令的效果；而微体系结构描述的是处理器实际上是如何实现的。

程序运行过程

首先，执行一些命令，使可执行文件中的代码和数据从磁盘复制到主存，即程序的加载过程。注意：利用直接存储器存取（DMA）技术，数据可以不通过处理器而直接从磁盘到达主存。可执行文件的代码和数据被加载到主存后，处理器就开始执行程序的main中的机器指令。

参考文献：深入理解计算机系统