第一章: 计算机系统漫游

第一章: 计算机系统漫游

总览

CSAPP: 从程序员角度了解计算机系统是如何工作的

• 第一部分: 单个程序运行在机器上
  • 第二章: 位怎么表示信息
  • 第三章: 汇编指令搬运并计算信息
  • 第四章: 硬件执行汇编指令
  • 第五章: 硬件优化汇编指令
  • 第六章: 信息搬运优化
• 第二部分: 操作系统运行程序
  • 第七章: 链接多个文件
  • 第八章: 异常控制流: 多程序切换
  • 第九章: 虚拟内存: 都独占内存
• 第三部分: 程序间交互
  • 第十章: 程序与外设交互
  • 第十一章: 程序与程序交互
  • 第十二章: 并发编程

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单个程序

信息 = 位 + 上下文

源程序 \(->\) 编译系统 \(->\) 可执行文件

1. 源程序 hello.c
2. 预处理 hello.i
3. 编译 hello.s
4. 汇编 hello.o
5. 链接 hello

计算机系统

• 硬件
  • CPU: 执行汇编指令
  • 总线: 搬运信息
  • 内存: 存储信息
  • I/O设备: 外部世界交互
• 软件
  • 操作系统

运行 hello 程序

总线连接不同单元

• CPU 和内存走系统总线/内存总线
• 磁盘和外设走 I/O 总线
• I/O 连接两种总线

1. "./hello" 键盘 \(->\) USB 控制器 \(->\) 寄存器 \(->\) 内存
2. 回车 \(->\) shell 加载 hello 文件
3. DMA: 磁盘 \(->\) 磁盘控制器 \(->\) 内存
4. 执行 hello 程序 \(->\) "hello, world\n" 内存 \(->\) 寄存器 \(->\) 图形适配器 \(->\) 显示器

高一层存储器作为低一层存储器的高速缓存

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系统运行程序

操作系统面向应用程序提供统一抽像来控制硬件

虚拟内存: 每个进程独占内存

虚拟地址空间

• 内核部分
• 栈
• 共享库
• 堆
• 数据
• 代码

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程序间交互

线程级并发

指令级并行

单指令多数据并行

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Amdahl定律

\[S = T_{\text{old}} / T_{\text{new}} = \frac{1}{(1 - \alpha) + \alpha / k} \]

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抽像