深入理解计算机系统 -- 计算机系统漫游

1. 从源文件到可执行程序的过程

这里以最简单的例子 helloworld 为例，新建一个 hello.c 的源文件，添加如下代码

#include "stdio.h"

int main()
{
printf("hello world \n");
return 0;
}

使用 gcc -o hello.c hello 指令可以将源文件转换为可执行程序，-o 选项可以指定可执行程序的名称，不指定该选项时默认为输出一个 a.out 的可执行程序。

在执行上述指令的过程中，gcc 读取目标源文件，并将其翻译成可执行文件，期间可分为四个阶段：

(1). 预处理阶段

程序根据 # 开头的指令，修改原始的 c 程序，如 #include "stdio.h" ，这里告诉预处理器读取对应系统头文件 stdio.h 的内容，并直接插入到程序文本中，得到一个 .i 为后缀的文件，可以通过

gcc -E hello.c 得到该文件，但此时只会获得该预处理后文件的输出，如果想要保存该文件则需使用 gcc -E hello.c -o hello.i  。

(2). 编译阶段

程序会将 hello.i 文件翻译成 hello.s 文件，其包含一个汇编语言程序。可以通过 gcc -S hello.c 来输出该汇编文件。

(3). 汇编阶段

接下来将 hello.s 翻译成机器语言指令，把这些指令打包成一个叫做可重定位目标程序的格式，并将结果保存在一个叫做 hello.o 的文件中，这是一个二进制文件，是 hello.s 的指令编码。可以通过 gcc -c hello.c 来生成 hello.o 文件。

(4). 链接阶段

在 hello.c 文件中，可以看到其调用了 printf 函数，其存在于标准 C 库中，printf 函数存在于一个名为 printf.o 的单独预编译好了的目标文件中，而我们调用了这个函数，因此需要将其合入到我们的 hello 程序中，链接器就负责处理这种合并，将所有 .o 文件合并结果得到一个 hello 程序，可以被加载到内存当中被系统执行。

2. 系统的硬件组成

(1). 总线

总线贯穿了整个系统，是一组电子管道，主要负责信息的传输，通常总线设计为传送定长的字节块，即字，字的字节数（也叫字长）是一个基本的系统参数，不同系统不尽相同，目前大多数机器字长多为 4 个字节（32位）或 8 个字节（64位）。

(2). I/O 设备

I/O 设备是系统与外部连接的通道，这里常用的 I/O 设备主要有键盘鼠标，显示器，磁盘等。每个 I/O 设备都通过一个 控制器 或者 适配器 与 I/O 总线相连接。控制器和适配器的区别主要在于封装方式上的不同，控制器通常为 I/O 设备本身或者系统的主板上的芯片组，而适配器通常为一块插在主板插槽上的卡，但其功能基本上是一致的，即为 I/O 总线和 I/O 设备之间传递信息。

以上为一个典型系统的硬件组成。

(3). 主存

主存是一个临时存储设备，即我们常说的内存，主要用来存放程序和程序相关的数据，从物理的层面来说，主存是一组动态随机存储器（DRAM）芯片组成，从逻辑上说，主存是一个线性的字节数组，每个字节都有其索引（地址），地址从零开始。

(4). 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大小为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 都指向主存中的一条机器指令。从系统通电开始到断电，处理器一直在不断执行程序计数器指向的指令，并且不断更新该程序计数器，使用指向下一条指令。处理器从程序计数器指向的内存处读取指令，解释该指令，执行指令的操作，然后更新程序计数器，使其指向下一条指令，而下条指令未必与本次执行的指令相邻（地址上），如函数调用。