计算机系统-笔记1-计算机系统漫游

信息就是位+上下文。

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，都是由一串比特表示的。区分不同数据对象的惟一方法是我们读到这些数据对象时的上下文。在不同的上下文中，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。

 

在Unix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：

Unix> gcc –o hello hello.c

执行这四个阶段的程序（预处理器、编译器、汇编器、链接器）一起构成了编译系统。

 

 

 

预处理器阶段。预处理器（cpp）根据以字符#开头的命令，修改原始的C程序，得到另一个C程序，通常是以 .i 作为文件拓展名。

 

编译阶段。编译器将文本文件hello.i翻译成文本文件hello.s，它包含一个汇编语言程序。汇编语言程序中的每条语句都以一种标准的文本格式确切地描述了一条低级机器语言指令。汇编语言是非常有用的，因为它为不同高级语言的不同编译器提供了通用的输出语言。

 

汇编阶段。接下来，汇编器将hello.s翻译成机器语言指令，把这些指令打包成为一种叫做可重定位目标程序的格式，并将结果保存在目标文件hello.o中。Hello.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。如果我们在文本编辑器中打开hello.o文件，呈现的将是一堆乱码。

 

链接阶段。请注意，我们的hello程序调用了printf函数，它是标准C库中的一个函数，每个C编译器都提供。Printf函数存在于一个名为printf.o的单独的预编译目标文件中，而这个文件必须以某种方式并入到我们的hello.o程序中。链接器将负责处理这种并入，结果就得到hello文件，它是一个可执行目标文件（或者简称为可执行文件）。可执行文件加载到存储器后，由系统负责执行。

 

 

 

总线：贯穿整个系统的是一组电子管道，称作总线，它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 一个基本的系统参数，各个系统中也不尽相同。

 

I/O设备：I/O（输入/输出）设备是系统与外界的联系通道。每个I/O设备都是通过一个控制器或适配器与I/O总线连接起来的。控制器和适配器之间的区别在于它们的组成方式。控制器是I/O设备本身中或是系统的主印制电路板（通常被称作主板）上的芯片组，而适配器则是一块插在主板插槽上的卡。但无论如何，它们的功能都是在I/O总线和I/O设备之间传递信息。

 

主存：主存是一个临时存储设备，在处理器执行程序时，它被用来存放程序和程序处理的数据。物理上来说，主存是由一组DRAM（动态随机存储器）芯片组成的。逻辑上来说，存储器是由一个线性的字节数组组成的，每个字节都有自己惟一的地址（数组索引），这些地址是从零开始的。一般来说，组成程序的每条机器指令都由不定量的字节构成。与C程序变量相对应的数据项的大小是根据类型变化的。

 

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被称为程序计数器（PC）的字长大小的存储设备（或寄存器）。在任何一个时间点上，PC都指向主存中的某条机器语言指令（内含其地址）。

 

 

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低速同类设备。加快处理器的运行速度比加快主存的处理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 memories），它们被用来作为暂时的集结区域，存放处理器在不久的将来可能会需要的信息。

 

 

每个计算机系统中的存储设备都被组织成一个存储器层次模型。

主要思想是一个层次上的存储器作为下一个层次上的存储器的高速缓存。

 

 

 

 

程序没有直接访问键盘、显示器、磁盘或者主存储器。取而代之的是，它们依靠操作系统提供的服务。可以把操作系统看成是应用程序和硬件之间插入的一层软件。

 

 

 

操作系统的两个基本功能：防止硬件被失控的应用程序滥用；在控制复杂而又通常广泛不同的低级硬件设备方面，为应用程序提供简单一致的方法。通过抽象概念实现这两个功能

 

 

 

进程：进程是操作系统对应用程序的一种抽象。在一个系统上可以同时多个进程，而每个进程都好像在独占地使用硬件。我们称之为并发运行，实际上是说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变换。

 

操作系统保存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。在任何一个时刻，系统上都只有一个进程正在运行。当操作系统决定从当前进程转移控制权到某个新进程时，它就会进行上下文切换，即保存当前进程的上下文、恢复新进程的上下文，然后将控制权转移到新进程。新进程就会从它上次停止的地方开始。

 

 

线程：一个进程实际上可以由多个称为线程的执行单元组成，每个线程都运行在进程的上下文中，并共享同样的代码和全局数据。由于网络服务器中对并行处理的要求，线程成为越来越重要的编程模型，因为多线程之间比多进程之间更容易共享数据，也因为线程一般都比进程更高效。

 

 

虚拟存储器：虚拟存储器是一个抽象概念，它为每个进程提供了一个假象，好像每个进程都在独占地使用主存。每个进程看到的存储器都是一致的，称之为虚拟地址空间。虚拟存储器的运作需要硬件和操作系统软件间的精密复杂的互相合作，包括对处理器生成的每个地址的硬件翻译。基本思想是把一个进程虚拟存储器的内容存储在磁盘上，然后用主存作为磁盘的高速缓存。

 

 

文件：文件只不过就是字节序列。每个I/O设备都可以被看成是文件。系统中的所有输入输出都是通过使用成为Unix I/O的一小组系统函数调用读写文件来实现的。

 

 

 

现代系统经常是通过网络和其他系统连接到一起的。从一个单独的系统来看，网络可被视为又一个I/O设备。