深入理解计算机系统 第一章

第一章 计算机系统漫游

1.1 信息就是位+上下文

系统中的所有信息，包括磁盘文件，内存中的程序，内存中存放的用户数据以及网络上传送的数据，都是由一串比特表示的。区分不同数据对象的唯一方法是我们读到这些数据对象的上下文。

1.2 程序被其他程序翻译成不同格式

一个程序的生命周期是从一个高级C语言程序开始的，为了能在系统上运行该程序，每条语句都必须被其他程序转换成一系列低级机器语言，然后这些指令按照可执行目标程序的格式打包好，并以二进制文件的形式存储起来。得到可执行目标文件。

这个翻译过程可归为四个阶段，预处理，编译，汇编，链接，四个阶段构成了编译系统。

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预处理阶段

预处理器根据预编译指令，对C程序进行文本替换。得到.i文件。

编译阶段

编译器将.i翻译成.s，得到一个汇编语言程序。C语言和Fortran编译器产生的输出文件都是一样的汇编语言。

汇编阶段

将.s文件翻译成机器语言指令，并打包成可重定位目标程序，把存在目标文件.o中。.o是二进制文件。

链接

C语言头文件中中的函数存在了预编译好的目标文件，因此该阶段将调用的函数合并到我们的.o文件中，得到可执行目标文件。该文件可以被加载到内存中由系统执行。

1.3 了解编译系统如何工作的益处

1. 优化程序性能

   我们需要了解一些机器代码以及编译器如何将C转换为机器代码的方式。不同循环语句的比较，switch和ifelse的比较等。

2. 理解链接时出现的错误

3. 避免安全漏洞，如缓冲区溢出等

1.4 处理器读并解释储存在内存中的指令

当程序被编译完成后，我们可通过shell指令

linux> ./hello

来运行程序

1.4.1 系统的硬件组成

为了理解运行hello程序时发生了什么，我们需要了解系统的硬件组织。

这是一张近期Intel产品族的模型

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总线

贯穿于整个系统的电子管道，携带信息字节并负责在各个部件间传递。总线传输的数是个重要的系统参数。

IO设备

IO设备是系统与外部的联系通道，每个IO设备通过控制器或适配器与IO总线相连。控制器和适配器的差别在于他们的封装方式。控制器是IO设备本身或系统的主印刷电路板，适配器是插在主板插槽上的卡。

主存

主存用来存放程序和数据，由DRAM构成。按字节编址。

处理器

处理器按照指令模型来操作，该模型由指令集架构决定。指定按照严格的顺序执行，并更新PC寄存器。

1.4.2 运行hello程序

shell将hello文件加载到内存中，通过dma技术，文件可以直接从磁盘到内存，不经过cpu。

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hello程序将字符串中的字节从主存复制到寄存器，再从寄存器复制到显示设备，输出到磁盘。

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1.5 高速缓存至关重要

如上的简单示例说明了一个重要问题，计算机会经常进行IO操作。这些开销减慢了程序运行的速度。因此系统设计者的一个重要目标就是使IO操作尽快完成。

处理器与主存之间存在着巨大的速度差距，并且还在一直扩大。针对这种差异，系统设计者采用了更小更快的高速缓冲存储器作为暂时存储。L1高速缓存通常可达数万字节，访问速度几乎和访问寄存器一样快。通过该方案，能让内存操作基本都在缓存中完成，基于程序局部性原理。

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1.6 储存器的层次结构

计算机的各储存部件间形成了层次结构，底层速度快，造价高，容量小，高层相反。通过该层次结构，就可以用高层的价格和容量，达到底层的速度。

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1.7 操作系统管理硬件

当我们执行程序时，程序并没有直接访问计算机硬件，而是通过操作系统提供的服务来访问。我们可以把操作系统看作是应用程序和硬件之间插入的一层软件。

操作系统有两个基本功能：

防止硬件被应用程序滥用，向应用程序提供简单一致的机制来控制硬件设备。操作系统通过几个抽象服务来实现，如进程，虚拟内存，文件等。

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1.8 系统之间利用网络通信

现代系统经常通过网络和其它系统连接到一起，网络可视作一个IO设备，数据流可以通过网络直接发给另一台机器，不经过本地磁盘，也可通过网络直接读取数据到主存中。

1.9 重要主题

1.9.1 Amdahl定律

对系统的某一部分加速时，其对系统整体性能影响取决于该部分的重要性和加速程度。

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由此可知，想要显著加速整个系统，必须提升全系统中相当大部分的速度

1.9.2 并发和并行

1. 线程级并发

   构建在进程抽象之上，我们能够设计出同时有多个程序执行的系统，这就导致了并发。自20世纪60年代出现时间共享以来，计算机系统就开始有了对并发执行的支持，但只是简单的使任务按时间切换。这种配置称为单处理器系统。

   后来随着多核处理器，超线程的出现，我们广泛使用了多处理器系统，将多个CPU(核)集成到集成电路芯片上，每个核都有自己的L1和L2缓存，而共用L3缓存.

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而超线程技术则允许一个核并行执行多个控制流。在使用超线程的核中，程序计数器核寄存器有多个备份，共用其他资源。

2. 指令级并行

   在CPU中，使用流水线技术来极大加快指令的执行。如果指令速度快于一周期一条，则可成为超标量处理器。

3. 单指令，多数据并行

   许多处理器拥有特殊的硬件，允许一条指令产生多个并行的数据操作。如SIMD指令可以并行加法，通常需要在编程时显式声明。