notes

深入理解計算機系統

Capture One: A Tour of Computer Systems

理解hello.c的執行過程：

編譯過程

C語言hello world程序的編譯過程：

命令：Unix>gcc -o hello hello.c 生成hello可執行文件
分爲四個階段 預處理 -》 編譯 -》裝配 -》鏈接

預處理：由預處理器(cpp)完成，處理源文件中的#開頭的指令，修改C源程序，結果爲以.i爲後綴的C源程序；

編譯：編譯器(cc1) 將文本文件hello.i 翻譯(translate)成hello.s，其中包含了彙編語言程序(assembly-language program)。其中的每一條語句代表了一個低級的機器語言指令。

裝配：裝配器(as)將hello.s翻譯成機器語言指令，打包成可定位目標程序(relacatable object program)並將其存儲在hello.o文件中，這是一個二進制文件，而不是文本文件。

鏈接：printf函數保存在由C編譯器提供的printf.o文件中，鏈接器(ld)將它與我們的hello.o文件鏈接起來，結果是hello可執行文件。

執行過程

執行命令unix> ./hello
計算機系統的硬件結構：

Bus:總線，在計算機的各個部分之間傳遞數據，通常以字(word)爲單位傳遞信息。

I/O Devices:輸入輸出設備，每一個IO設備通過控制器或者適配器連接到Bus上。控制器通常是設備上或主板上的一組芯片，適配器通常是插在主板接口上的設備(卡，card)。它們的目標都是在設備和Bus之間傳遞信息。

Main Memory:主存，在程序執行是存儲程序和數據，通常由DRAM組成.主存被組織成字節的線性數組，每一個字節都有自己唯一的地址，從0開始。

Processer:處理器，執行程序的引擎，其中的程序計數器始終指向主存中的一個機器指令。

1，讀取`hello`命令

2，將可執行文件拷貝到主存中

3，將`hello, world`字符串輸出到屏幕上

計算機系統的cache和分層存儲結構：

緩存的原理：局部性(locality)
分層結構中，寄存器爲最上層，L0層，三級緩存分別爲L1, L2, L3層。主存爲L4層，等等。
主要idea是上層存儲器作爲其下層的緩存。

操作系統

兩個目的：

保護硬件不受失控的應用程序的破壞；

提供給應用程序簡單，統一的操作衆多硬件的方法；
操作系統通過基本的抽象做到這一點。

Files:對IO設備的抽象，本質是字節序列。系統中所有的輸入輸出都是對文件的讀寫。

Virtual memory:對IO設備和主存的抽象；

Processes:對處理器，主存和IO設備的抽象；

Process (進程)

進程是操作系統對一個運行的程序的抽象。處理器通過在不同的進程間切換(上下文切換 context switching)使得多個進程併發的執行；

進程虛地址空間

程序代碼和數據:所有進程的代碼都從同樣的固定地址開始；

Heap:堆,這部分空間在運行時由malloc和free分配和釋放；

shared libraries:共享庫，如C標準庫和math庫等。

Stack:用戶虛擬地址空間的最上層是棧，它在程序執行函數調用時分配，函數推出時釋放；

Kernel virtual memory:內核虛擬內存，應用程序不能讀或寫這部分空間，也不能直接調用其中的函數；