關(guān)于《深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)》

“這本書的中譯名為“深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”，我非常，十分，以及百分之一百二十地不滿意。我這么說(shuō)的原因在于這個(gè)譯法完全扭曲了書的本意。如果直譯原書名，應(yīng)該是類似于“以程序員的視角理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”，何來(lái)“深入”二字?？赡茉趪?guó)內(nèi)編輯看來(lái)，這是講系統(tǒng)的，用C和匯編語(yǔ)言的，因此很“深入”，但我認(rèn)為這只能說(shuō)明國(guó)內(nèi)技術(shù)氛圍的淺薄。因?yàn)槭聦?shí)上，這是一本入門級(jí)別的書，這本書其實(shí)并不“深入”，它談?wù)摰膬?nèi)容還是相對(duì)比較淺的。但“淺”不代表“淺薄”，寫一本面向初學(xué)者的好書往往是非常困難的，因此無(wú)論是SICP還是CSAPP，它的作者都是頂尖學(xué)府的教授，結(jié)合多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)而寫出來(lái)的。

CMU把這本書作為“Introduction?to?Computer?System”課程的教材，是面向計(jì)算機(jī)專業(yè)低年級(jí)學(xué)生的“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)介紹（導(dǎo)論）”，可能這些學(xué)生只是剛剛了解如何使用一門高級(jí)語(yǔ)言——如Java進(jìn)行編程，對(duì)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作方式等話題可謂一點(diǎn)都沒(méi)有接觸過(guò)，而CSAPP對(duì)讀者的背景也只要求是“一些編程經(jīng)驗(yàn)”而已。這本書的話題覆蓋面很廣，從計(jì)算機(jī)的基本組成，二進(jìn)制數(shù)據(jù)表示方式，到機(jī)器級(jí)別的指令，CPU工作方式，存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和優(yōu)化，操作系統(tǒng)的虛擬內(nèi)存管理，程序運(yùn)行方式，I/O，網(wǎng)絡(luò)、到（較底層）程序性能優(yōu)化和并行程序開(kāi)發(fā)等等。所以，它其實(shí)覆蓋了“計(jì)算機(jī)組成原理”，“操作系統(tǒng)”等許多課程的內(nèi)容，其中的許多話題都能再次展開(kāi)，繼續(xù)深入，都能再變成一本，甚至N本經(jīng)典。事實(shí)上，在高年級(jí)的計(jì)算機(jī)專業(yè)課程設(shè)置中，都會(huì)有更加縱向的內(nèi)容出現(xiàn)。” ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ????? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ——摘自Jeffrey?Zhao博文

老趙的這一番話，深深的觸動(dòng)了我，確實(shí)，這本書用怎么說(shuō)呢，并不是深入，而是涉及的知識(shí)比較廣，但又都是廣大程序猿不得不知道的知識(shí)，下面我們就來(lái)慢慢品嘗這本書吧。工作之余，學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)，總是好的。言歸正傳，接下來(lái)，享讀《Computer?Systems:?A?Programmer’s?Perspective》的中hello world程序都干了些啥。

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1.信息在計(jì)算機(jī)的中表示

當(dāng)我們輸入以下程序，編譯運(yùn)行，計(jì)算機(jī)從屏幕輸出hello,?world。整個(gè)過(guò)程計(jì)算機(jī)都怎么運(yùn)作的呢？

#include?<stdio.h>

int?main()

{

printf("hello,?world\n");

}

我們知道，信息在計(jì)算機(jī)中都是用0或1表示的。計(jì)算機(jī)通過(guò)這些位信息以及上下文來(lái)解讀這些0/1。也即：計(jì)算機(jī)中的信息=位+上下文。

我們輸入的hello程序就是由0、1組成的序列，將這些位8位組織成一個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)用來(lái)表示一個(gè)文本字符。ASCII碼給出了一種字符與數(shù)字的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。

hello,?world程序以字節(jié)方式存放于文件中，如下圖所示。其每個(gè)字符對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)字，具體可參考ASCII碼表。

圖1?Hello?world程序的ASCII碼表示

2.將程序翻譯成機(jī)器可讀的格式

因?yàn)槲覀冚斎氲膆ello,?world程序是人可讀的，機(jī)器并不能直接識(shí)別它們。我們需要把這些文字翻譯成機(jī)器可執(zhí)行的二進(jìn)制文件。這一部分的工作是由編譯系統(tǒng)完成的。編譯系統(tǒng)由預(yù)處理器、編譯器、匯編器、連接器四部分組成。以hello,?world程序?yàn)槔?#xff0c;各部分共同完成將源文件編譯成二進(jìn)制可執(zhí)行文件。各個(gè)部分完成的具體工作如下：

l?預(yù)處理器：根據(jù)以#開(kāi)頭的命令，修改源程序。如根據(jù)#include?<stdio.h>行，預(yù)處理器讀取系統(tǒng)頭文件stdio.h中的內(nèi)容，代替此行內(nèi)容。源程序經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，得到另一個(gè)c程序，此程序通常以.i為后綴保存。

l?編譯器：將預(yù)處理后的.i文件轉(zhuǎn)換成匯編程序。編譯器將不同的高級(jí)語(yǔ)言(如c語(yǔ)言，C++語(yǔ)言)轉(zhuǎn)換成嚴(yán)格一致的匯編語(yǔ)言格式進(jìn)行輸出。匯編語(yǔ)言以標(biāo)準(zhǔn)的文本格式確切的描述每機(jī)器語(yǔ)言指令。編譯器得到的文件通常以.s為后綴保存。

l?匯編器：將匯編語(yǔ)言(.s文件)翻譯成機(jī)器語(yǔ)言指令，并將這些指令打包成一種可定位目標(biāo)程序格式。匯編后得到的文件即為二進(jìn)制文件，通常以.o為后綴。

l?鏈接器：hello,?world程序中調(diào)用過(guò)printf函數(shù)，它是一個(gè)c標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)里的函數(shù)。Printf函數(shù)存放在一個(gè)名為printf.o的單獨(dú)預(yù)編譯的文件中。而這個(gè)文件必須以適當(dāng)?shù)姆绞讲⑷氲轿覀兊某绦蛑?#xff0c;這個(gè)工作由鏈接器完成。將外部的.o文件并入后，得到一個(gè)完整的hello,?world可執(zhí)行文件?？蓤?zhí)行文件加載到存儲(chǔ)器后，由系統(tǒng)復(fù)制執(zhí)行。

圖2?編譯系統(tǒng)

在linux系統(tǒng)上，輸入編譯命令行：

Viidiot>gcc?hello.c?-o?hello

將執(zhí)行上圖所示的四個(gè)步驟，得到可執(zhí)行二進(jìn)制文件hello。

3.處理器讀取并解釋存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的指令

Shell:命令行解釋器，為用戶提供了一只與系統(tǒng)打交道的方式。它等待用戶的輸入，當(dāng)用戶輸入一行命令后，shell先判斷它是不是一個(gè)shell內(nèi)置命令，如果不是，shell會(huì)假定用戶輸入為一個(gè)可執(zhí)行文件的名字，從而去加載并執(zhí)行該文件。因此，當(dāng)我們通過(guò)編譯系統(tǒng)將源文件編譯成可執(zhí)行二進(jìn)制文件后，在shell中輸入我們得到的可執(zhí)行二進(jìn)制文件名，shell將其從磁盤中加載到存儲(chǔ)器(注：我們的可執(zhí)行文件是存放在磁盤上的)，并通過(guò)處理器進(jìn)行解釋執(zhí)行，得到最終的結(jié)果，輸出到終端(顯示器)上進(jìn)行顯示。自此，我們的hello,?world程序完成了其生命周期。

4.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

為了弄清楚hello,?world運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)究竟發(fā)生了什么，我們先來(lái)了解下一個(gè)典型的計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)。

圖3?典型的計(jì)算機(jī)硬件構(gòu)成

【CPU：中央處理器???ALU：算術(shù)/邏輯運(yùn)算單元??PC：程序計(jì)數(shù)器??USB：統(tǒng)一串行接口】

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下面簡(jiǎn)單說(shuō)一下各個(gè)部件在系統(tǒng)中所起的作用。

總線：在各個(gè)部件之間傳輸數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在的總線寬度一般為32位或者64位，即一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為4字節(jié)或者8字節(jié)。

I/O設(shè)備：IO設(shè)備是系統(tǒng)與外界通信的通道，如鼠標(biāo)，鍵盤，顯示器都是典型的IO設(shè)備。

主存儲(chǔ)器：簡(jiǎn)稱主存，是處理器執(zhí)行程序時(shí)用于臨時(shí)存放程序及其數(shù)據(jù)。主存由一組動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器芯片組成。

處理器：解釋執(zhí)行存儲(chǔ)在主存中的指令。其內(nèi)部包含一個(gè)雙字節(jié)程序計(jì)數(shù)器(PC)，任何時(shí)候PC中都存放著接下來(lái)要執(zhí)行的機(jī)器指令在主存中的地址。

處理器的操作主要是圍繞PC、ALU、主存來(lái)進(jìn)行運(yùn)作的。處理器首先從PC所指向的主存存儲(chǔ)單元讀取指令，解釋指令中的位，執(zhí)行該指令指示的簡(jiǎn)單操作，然后更新PC寄存器，使其指向下一條要執(zhí)行的指令。CPU會(huì)執(zhí)行的操作有：

加載：把一個(gè)字節(jié)或一個(gè)字從主存復(fù)制到寄存器，覆蓋掉寄存器中原來(lái)的值。

存儲(chǔ)：把一個(gè)字節(jié)或一個(gè)從寄存器復(fù)制到主存，并覆蓋主存中原來(lái)的值。

操作：把兩個(gè)寄存器的內(nèi)容復(fù)制到ALU，ALU對(duì)兩個(gè)字做算術(shù)運(yùn)算后存回其中的一個(gè)寄存器，該寄存器中原來(lái)的值會(huì)被覆蓋。

跳轉(zhuǎn)：從cpu執(zhí)行的指令抽取一個(gè)字的內(nèi)容存入PC，覆蓋掉原來(lái)的值，從而改變下一條要執(zhí)行的指令，達(dá)到跳轉(zhuǎn)的目的。

在了解了一些基本的硬件結(jié)構(gòu)，以及各個(gè)部分的作用后，我們?cè)賮?lái)看看之前的hello,?world程序的運(yùn)行過(guò)程。

圖4?加載可執(zhí)行文件到主存的過(guò)程

在linux系統(tǒng)下，我們?cè)?/span>shell中敲入以下命令

Viidiot>./hello

由于shell沒(méi)有內(nèi)置hello命令，因此shell將我們輸入的hello視為一個(gè)可執(zhí)行文件，從而通過(guò)執(zhí)行一系列機(jī)器指令，將可執(zhí)行文件hello從磁盤復(fù)制到主存，如圖4所示。

注意，如果通過(guò)DMA方式加載程序，則不需要通過(guò)CPU，而是將hello可執(zhí)行文件直接從磁盤復(fù)制到主存，示意圖如圖5。

圖5?DMA方式加載程序到主存

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可執(zhí)行程序加載到主存后，cpu就執(zhí)行hello程序的機(jī)器指令，而這些指令完成的工作便是將”hello,world\n”這幾個(gè)字符從主存中復(fù)制寄存器文件中(register?file),再將其從寄存寄文件中復(fù)制到顯示設(shè)備上進(jìn)行顯示。過(guò)程示意圖如圖6所示。

圖6??cpu執(zhí)行指令，將?“hello，world\n”從內(nèi)存復(fù)制到顯示設(shè)備

至此，hello，world程序的執(zhí)行過(guò)程已經(jīng)完成。

題外話：

從上面的程序?qū)嵗覀兛梢钥吹?#xff0c;程序花費(fèi)了大量的時(shí)間將數(shù)據(jù)從一個(gè)部件復(fù)制到另外一個(gè)部件。程序加載時(shí)，將hello程序的機(jī)器指令從磁盤復(fù)制到主存，程序運(yùn)行時(shí)，又將其從主存復(fù)制到cpu，最后又從cpu復(fù)制到外部顯示器。將根據(jù)機(jī)械原理，大容量的存儲(chǔ)設(shè)備速度比小容量存儲(chǔ)設(shè)備慢，快速設(shè)備的造價(jià)比慢速設(shè)備的造價(jià)高。對(duì)于計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)，CPU的速度遠(yuǎn)高于主存的速度，而主存的速度遠(yuǎn)高于磁盤，不同部件的速度嚴(yán)重不對(duì)等，從而快的設(shè)備的性能沒(méi)能得到充分發(fā)揮。為解決各類設(shè)備速度不匹配的問(wèn)題，引入了高速緩存設(shè)備來(lái)緩解速度匹配問(wèn)題。如圖7所示，為加入了高速緩存后的系統(tǒng)部分結(jié)構(gòu)。

圖7?高速緩存存儲(chǔ)器

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)為提高系統(tǒng)性能，一般都加入了多級(jí)緩存結(jié)構(gòu)。高速緩存采樣的是靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器硬件(SRAM)技術(shù)，速度快于主存(采樣動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器技術(shù))。如圖8是存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)金字塔，越往上速度越快，造價(jià)也更昂貴。

圖8?存儲(chǔ)器金字塔

作者:Viidiot(阿呆)? 轉(zhuǎn)載請(qǐng)保留作者及鏈接

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的计算机程序是怎样运行的-hello world程序运行原理的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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