计算机系统漫游

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HelloWorld

相信大多数人学习C语言的第一个程序便是HelloWorld。对于把程序编译再运行，得到一个黑框显示出helloworld这个过程，我们并不陌生。只是这个过程到底在计算机中发生了什么呢？

信息的表示

让我们回到hello程序，首先要在黑框中显示出helloworld，要有一个程序。而这个程序就储存在计算机硬盘中，与其他文本文件无二异，它也是使用ASCII标准进行编码的。而除了这样的文本文件，还有其他的文件称为二进制文件。这些所有的文件，包括文本，图片，音频，视频等等组成了计算机中所有的文件，而在计算机底层均是使用一串串的比特(bit)来表示的，至于为什么可以参考我上一篇文章《从编码到二进制》。至此我们了解到了hello程序是存储在计算机硬盘中用ASCII编码的一串比特位。而要如何执行它呢？

翻译的过程

程序文件归根到底也是我们人写下的定义，要让计算机理解并且执行就需要有一个翻译官。毕竟人和机器不能够直接沟通，就像两个语言地区的人不能够直接使用语言交流一样。在计算机中我们把翻译叫做编译，工具编译器就在此充当了这样一个翻译官。编译的过程包含些许步骤，总的来说是对文本文件到二进制文件做了一个转换。这里还有一层含义：文本文件是给人看的，而二进制文件是给计算机看的。在C语言中编译的步骤包括了预处理、编译、汇编、链接几个步骤。至于为什么是这几个步骤原因在于C语言本身设计出的特性以及为了能够让所有机器都能够看懂程序。其中部分步骤甚至不是必须的可以省略。到目前我们只需要知道翻译的整体过程就好。

执行的过程

当程序编译好了之后就可以执行了。也许你使用了ide省去了下列步骤，但为了说明细节，这里这么表达。要让程序执行起来有这么几几个步骤：

1. 打开shell终端
2. 输入程序名
3. 回车运行
4. 显示结果

在第二步中，我们需要将程序名输入到一个shell终端的软件，这是一个解释程序的软件，输入了程序名它会认为这是一个可执行程序，然后告诉操作系统去寻找该程序并执行。随后便可在shell终端后看到执行的结果。这个过程中我们很容易想到可能用到了以下硬件：

1. 硬盘：用于存储各种文件
2. 主存储器（内存）：用于存放计算机当下运行中所有临时数据
3. 输入输出设备：用于输入文字和输出结果
4. 处理器：用于执行程序

但这些好像还不够，是不是少了点什么？这些数据怎么在里面流通的呢？实际上，为了能够让数据在各个硬件中流通，还有一个叫做总线的硬件，它是贯穿整个计算机系统的一组电子管道。

那么hello程序的运行过程就很明显了：

1. 输入程序名后，shell读入程序名将其存入内存中，这个过程数据流向是：输入设备 → 总线 → 处理器 → 总线 → 硬盘

2. 回车了之后shell开始加载程序名所对应的程序，这个过程的数据流向是：硬盘 → 总线 → 内存

   可能你会疑惑这里为什么就不用经过处理器呢？实际上这里用到了DMA技术，这个将会在后续说明

3. 加载完成处理器就开始执行程序，这个过程的数据流向是：内存 → 总线 → 处理器 → 总线 → 输出设备

执行完成以上三个步骤之后，我们就可以在shell终端看到执行的结果Hello，World！了！

更进一步

然而实际上上面的步骤是为了理解，简化之后的整体步骤，实际的现代计算机的执行过程要比这复杂得多。我们不妨思考这样一个问题，这个程序运行过程中最麻烦的步骤是什么？计算机一直在将数据从一个地方搬到另一个地方，是不是非常的麻烦？没错，确实非常的麻烦，但这是无可避免的。就像在工厂的流水线中，要想将原材料生产出成品，必须要有一整套流水线，而其中每一个位置的职责都是固定的，流水线是可以改变的。而在此基础上我们可以想到如何让程序运行的更快一些，或者说如何让结果更高效的出来。还是刚才那个流水线的比喻。每一个位置的职责是固定的，而流水线是可以改变的。如果你是工厂主你会怎么做呢？聘用效率更高的工人让每一个位置上产出速度更快？还是改进生产流程让各个位置的工人更加高效的工作？当然两种方式都可以，让我们用这两个改进方法带入到原来的计算机问题上。也就是说，我们可以通过更换更强大的硬件让计算机执行更快，也可以改进其中数据流通的方式以加速计算机的执行。

例如：

1. 使用高速缓存：计算机中不仅仅只有硬盘和主存储器，还有高速缓存，这种缓存有比主存储器更快的交换速度，用多级高速缓存可以加速数据的流入和流出。
2. 资源管家（操作系统）：想象一下一个没有人管理的系统会是怎样？显然中间会有许多不可避免地意外会发生，而此时有一个管理者会好得多，而操作系统就扮演了这样一个角色，它提供了许多的机制让硬件更高效的工作，例如并发，共享，虚拟，异步。

当然还有很多，远不止这些，这里只是给大家提供一个思考的过程，希望能带给读者一些帮助。