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<span class="link_title"><a href="/dl0914791011/article/details/23478469">
計算機程序是怎樣運行的
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關於《深入理解計算機系統》
“這本書的中譯名爲“深入理解計算機系統”，我非常，十分，以及百分之一百二十地不滿意。我這麼說的原因在於這個譯法完全扭曲了書的本意。如果直譯原書名，應該是類似於“以程序員的視角理解計算機系統”，何來“深入”二字。可能在國內編輯看來，這是講系統的，用C和彙編語言的，因此很“深入”，但我認爲這隻能說明國內技術氛圍的淺薄。因爲事實上，這是一本入門級別的書，這本書其實並不“深入”，它談論的內容還是相對比較淺的。但“淺”不代表“淺薄”，寫一本面向初學者的好書往往是非常困難的，因此無論是SICP還是CSAPP，它的作者都是頂尖學府的教授，結合多年教學經驗而寫出來的。
CMU把這本書作爲“Introduction to Computer System”課程的教材，是面向計算機專業低年級學生的“計算機系統介紹（導論）”，可能這些學生只是剛剛瞭解如何使用一門高級語言——如Java進行編程，對於計算機系統的工作方式等話題可謂一點都沒有接觸過，而CSAPP對讀者的背景也只要求是“一些編程經驗”而已。這本書的話題覆蓋面很廣，從計算機的基本組成，二進制數據表示方式，到機器級別的指令，CPU工作方式，存儲結構和優化，操作系統的虛擬內存管理，程序運行方式，I/O，網絡、到（較底層）程序性能優化和並行程序開發等等。所以，它其實覆蓋了“計算機組成原理”，“操作系統”等許多課程的內容，其中的許多話題都能再次展開，繼續深入，都能再變成一本，甚至N本經典。事實上，在高年級的計算機專業課程設置中，都會有更加縱向的內容出現。” ——摘自Jeffrey Zhao博文
老趙的這一番話，深深的觸動了我，確實，這本書用怎麼說呢，並不是深入，而是涉及的知識比較廣，但又都是廣大程序猿不得不知道的知識，下面我們就來慢慢品嚐這本書吧。工作之餘，學習學習，總是好的。言歸正傳，接下來，享讀《Computer Systems: A Programmer’s Perspective》的中hello world程序都幹了些啥。
1.信息在計算機的中表示
當我們輸入以下程序，編譯運行，計算機從屏幕輸出hello, world。整個過程計算機都怎麼運作的呢？
#include <stdio.h>
int main()
{
printf("hello, world\n");
}
我們知道，信息在計算機中都是用0或1表示的。計算機通過這些位信息以及上下文來解讀這些0/1。也即：計算機中的信息=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位組織成一個字節，每個字節用來表示一個文本字符。ASCII碼給出了一種字符與數字的一一對應關係。
hello, world程序以字節方式存放於文件中，如下圖所示。其每個字符對應一個數字，具體可參考ASCII碼錶。
圖1 Hello world程序的ASCII碼錶示
2.將程序翻譯成機器可讀的格式
因爲我們輸入的hello, world程序是人可讀的，機器並不能直接識別它們。我們需要把這些文字翻譯成機器可執行的二進制文件。這一部分的工作是由編譯系統完成的。編譯系統由預處理器、編譯器、彙編器、連接器四部分組成。以hello, world程序爲例，各部分共同完成將源文件編譯成二進制可執行文件。各個部分完成的具體工作如下：
l 預處理器：根據以#開頭的命令，修改源程序。如根據#include <stdio.h>行，預處理器讀取系統頭文件stdio.h中的內容，代替此行內容。源程序經過預處理後，得到另一個c程序，此程序通常以.i爲後綴保存。
l 編譯器：將預處理後的.i文件轉換成彙編程序。編譯器將不同的高級語言(如c語言，C++語言)轉換成嚴格一致的彙編語言格式進行輸出。彙編語言以標準的文本格式確切的描述每機器語言指令。編譯器得到的文件通常以.s爲後綴保存。
l 彙編器：將彙編語言(.s文件)翻譯成機器語言指令，並將這些指令打包成一種可定位目標程序格式。彙編後得到的文件即爲二進制文件，通常以.o爲後綴。
l 鏈接器：hello, world程序中調用過printf函數，它是一個c標準庫裏的函數。Printf函數存放在一個名爲printf.o的單獨預編譯的文件中。而這個文件必須以適當的方式併入到我們的程序中，這個工作由鏈接器完成。將外部的.o文件併入後，得到一個完整的hello, world可執行文件。可執行文件加載到存儲器後，由系統複製執行。
圖2 編譯系統
在Linux系統上，輸入編譯命令行：
Viidiot>gcc hello.c -o hello
將執行上圖所示的四個步驟，得到可執行二進制文件hello。
3.處理器讀取並解釋存儲在存儲器中的指令
Shell:命令行解釋器，爲用戶提供了一隻與系統打交道的方式。它等待用戶的輸入，當用戶輸入一行命令後，shell先判斷它是不是一個shell內置命令，如果不是，shell會假定用戶輸入爲一個可執行文件的名字，從而去加載並執行該文件。因此，當我們通過編譯系統將源文件編譯成可執行二進制文件後，在shell中輸入我們得到的可執行二進制文件名，shell將其從磁盤中加載到存儲器(注：我們的可執行文件是存放在磁盤上的)，並通過處理器進行解釋執行，得到最終的結果，輸出到終端(顯示器)上進行顯示。自此，我們的hello, world程序完成了其生命週期。
4.計算機系統硬件結構
爲了弄清楚hello, world運行時，系統究竟發生了什麼，我們先來了解下一個典型的計算機硬件結構。
圖3 典型的計算機硬件構成
【CPU：中央處理器 ALU：算術/邏輯運算單元 PC：程序計數器 USB：統一串行接口】
下面簡單說一下各個部件在系統中所起的作用。
總線：在各個部件之間傳輸數據。現在的總線寬度一般爲32位或者64位，即一次傳輸的數據爲4字節或者8字節。
I/O設備：IO設備是系統與外界通信的通道，如鼠標，鍵盤，顯示器都是典型的IO設備。
主存儲器：簡稱主存，是處理器執行程序時用於臨時存放程序及其數據。主存由一組動態隨機存儲器芯片組成。
處理器：解釋執行存儲在主存中的指令。其內部包含一個雙字節程序計數器(PC)，任何時候PC中都存放着接下來要執行的機器指令在主存中的地址。
處理器的操作主要是圍繞PC、ALU、主存來進行運作的。處理器首先從PC所指向的主存存儲單元讀取指令，解釋指令中的位，執行該指令指示的簡單操作，然後更新PC寄存器，使其指向下一條要執行的指令。CPU會執行的操作有：
加載：把一個字節或一個字從主存複製到寄存器，覆蓋掉寄存器中原來的值。
存儲：把一個字節或一個從寄存器複製到主存，並覆蓋主存中原來的值。
操作：把兩個寄存器的內容複製到ALU，ALU對兩個字做算術運算後存回其中的一個寄存器，該寄存器中原來的值會被覆蓋。
跳轉：從cpu執行的指令抽取一個字的內容存入PC，覆蓋掉原來的值，從而改變下一條要執行的指令，達到跳轉的目的。
在瞭解了一些基本的硬件結構，以及各個部分的作用後，我們再來看看之前的hello, world程序的運行過程。
圖4 加載可執行文件到主存的過程
在linux系統下，我們在shell中敲入以下命令
Viidiot>./hello
由於shell沒有內置hello命令，因此shell將我們輸入的hello視爲一個可執行文件，從而通過執行一系列機器指令，將可執行文件hello從磁盤複製到主存，如圖4所示。
注意，如果通過DMA方式加載程序，則不需要通過CPU，而是將hello可執行文件直接從磁盤複製到主存，示意圖如圖5。
圖5 DMA方式加載程序到主存
可執行程序加載到主存後，cpu就執行hello程序的機器指令，而這些指令完成的工作便是將”hello,world\n”這幾個字符從主存中複製寄存器文件中(register file),再將其從寄存寄文件中複製到顯示設備上進行顯示。過程示意圖如圖6所示。
圖6 cpu執行指令，將 “hello，world\n”從內存複製到顯示設備
至此，hello，world程序的執行過程已經完成。
題外話：
從上面的程序實例我們可以看到，程序花費了大量的時間將數據從一個部件複製到另外一個部件。程序加載時，將hello程序的機器指令從磁盤複製到主存，程序運行時，又將其從主存複製到cpu，最後又從cpu複製到外部顯示器。將根據機械原理，大容量的存儲設備速度比小容量存儲設備慢，快速設備的造價比慢速設備的造價高。對於計算機硬件系統，CPU的速度遠高於主存的速度，而主存的速度遠高於磁盤，不同部件的速度嚴重不對等，從而快的設備的性能沒能得到充分發揮。爲解決各類設備速度不匹配的問題，引入了高速緩存設備來緩解速度匹配問題。如圖7所示，爲加入了高速緩存後的系統部分結構。
圖7 高速緩存存儲器
現代計算機爲提高系統性能，一般都加入了多級緩存結構。高速緩存採樣的是靜態隨機存儲器硬件(SRAM)技術，速度快於主存(採樣動態隨機存儲器技術)。如圖8是存儲器結構金字塔，越往上速度越快，造價也更昂貴。
圖8 存儲器金字塔
作者:Viidiot(阿呆) 轉載請保留作者及鏈接