CSAPP：第一章计算机系统漫游

Posted 2021-01-12 天星小苑

CSAPP：计算机系统漫游

关键点：上下文、程序运行、计算机系统抽象。

信息就是位+上下文一个程序的运行过程系统的硬件组成编译系统是如何工作的？一个程序的运行过程（c语言举例）计算机系统中的抽象

信息就是位+上下文

??所谓信息（包括磁盘文件、内存中的程序、内存中存放的用户数据、以及网络上传输的数据），都是由一串比特(bit)表示的，区分不通数据对象的唯一方法是我们读到数据对象时的上下文。
??这里的上下文，可以理解为一个”标志“，用于区分不通的数据对象，或者进入不同的状态，在不同的上下文中，一个同样的字节序列可能表示一个整数、浮点数、字符串或者机器指令。
??信息就是位组成，通过上下文来区分不通的数据对象，即位+上下文。

一个程序的运行过程

系统的硬件组成

一个典型的硬件组成

• 总线
  ??负责在各个部件间传输信息。
• I/O设备
  ??I/O(输入/输出)设备是系统与外部世界的联系通道。一般包括：用户输入的鼠标键盘，用户输出的显示器、用于存储数据和程序的磁盘，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。
• 主存(DRAM)
  ??主存是一个临时存储设备，在处理器执行程序时，用来存放程序和程序处理的数据。
• 处理器
  ??执行存储在主存指令中的引擎。

编译系统是如何工作的？

• 用户输入./hello。通过键盘输入./hello，shell将字符逐一读入寄存器，在将它存放到内存中。
• 执行./hello。当结束输入，执行程序时，将存储到磁盘上的可执行文件hello复制到主存，最终执行结果通过显示器输出。
  从磁盘读取hello命令

从磁盘加载可执行文件到主存
将输出字符串从存储器写到显示器

一个程序的运行过程（c语言举例）

??一个编译系统一般由预处理器、编译器、汇编器和链接器组成，分别包含预处理、编译、汇编和链接四个阶段。

编译系统

• 预处理（将宏定义展开插入到源文件 -E）
  gcc -E -o hello.i hello.c //得到hello.i

 1      1 # 1 "hello.c"
 2      2 # 1 "<built-in>"
 3      3 # 1 "<command-line>"
 4      4 # 1 "/usr/include/stdc-predef.h" 1 3 4
 5      5 # 1 "<command-line>" 2
 6      6 # 1 "hello.c"
 7      7 # 1 "/usr/include/stdio.h" 1 3 4
 8      8 # 27 "/usr/include/stdio.h" 3 4
 9      9 # 1 "/usr/include/features.h" 1 3 4
10     10 # 367 "/usr/include/features.h" 3 4
11     11 # 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/sys/cdefs.h" 1 3 4
12     12 # 410 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/sys/cdefs.h" 3 4
13     13 # 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/wordsize.h" 1 3 4
14     14 # 411 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/sys/cdefs.h" 2 3 4
15     15 # 368 "/usr/include/features.h" 2 3 4
16     16 # 391 "/usr/include/features.h" 3 4
17     17 # 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/gnu/stubs.h" 1 3 4
18     18 # 10 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/gnu/stubs.h" 3 4
19     19 # 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/gnu/stubs-64.h" 1 3 4
20     20 # 11 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/gnu/stubs.h" 2 3 4
21     21 # 392 "/usr/include/features.h" 2 3 4
22     22 # 28 "/usr/include/stdio.h" 2 3 4
23     23 
24     24 
25     25 
26     26 
27     27 
28     28 # 1 "/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/5/include/stddef.h" 1 3 4
29     29 # 216 "/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/5/include/stddef.h" 3 4
30     30 
31     31 # 216 "/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/5/include/stddef.h" 3 4
32     32 typedef long unsigned int size_t;
33     33 # 34 "/usr/include/stdio.h" 2 3 4
34     34 
35     35 # 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/types.h" 1 3 4
36     36 # 27 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/types.h" 3 4
37     37 # 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/wordsize.h" 1 3 4
38     38 # 28 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/types.h" 2 3 4
39     39 
40     40 
41     41 typedef unsigned char __u_char;
42     42 typedef unsigned short int __u_short;
43     43 typedef unsigned int __u_int;
44     44 typedef unsigned long int __u_long;
45     45 

• 编译（将预处理的.i文件翻译成汇编 -S）
  gcc -S -o hello.s hello.i //只编译不汇编和链接

 1      1     .file   "hello.c"
 2      2     .section    .rodata  #只读数据段
 3      3 .LC0:
 4      4     .string "hello, world"
 5      5     .text
 6      6     .globl  main
 7      7     .type   main, @function
 8      8 main:
 9      9 .LFB0:
10     10     .cfi_startproc
11     11     pushq   %rbp
12     12     .cfi_def_cfa_offset 16
13     13     .cfi_offset 6, -16
14     14     movq    %rsp, %rbp
15     15     .cfi_def_cfa_register 6
16     16     movl    $.LC0, %edi
17     17     call    puts
18     18     movl    $0, %eax
19     19     popq    %rbp
20     20     .cfi_def_cfa 7, 8
21     21     ret
22     22     .cfi_endproc
23     23 .LFE0:
24     24     .size   main, .-main
25     25     .ident  "GCC: (Ubuntu 5.4.0-6ubuntu1~16.04.10) 5.4.0 20160609"
26     26     .section    .note.GNU-stack,"",@progbits

• 汇编（将.S翻译成机器码，linux是elf格式 -c）
  gcc -c -o hello.o hello.s //得到hello.o

 1      1 00000000: 7f45 4c46 0201 0100 0000 0000 0000 0000  .ELF............
 2      2 00000010: 0100 3e00 0100 0000 0000 0000 0000 0000  ..>.............
 3      3 00000020: 0000 0000 0000 0000 a002 0000 0000 0000  ................
 4      4 00000030: 0000 0000 4000 0000 0000 4000 0d00 0a00  [email protected]@.....
 5      5 00000040: 5548 89e5 bf00 0000 00e8 0000 0000 b800  UH..............
 6      6 00000050: 0000 005d c368 656c 6c6f 2c20 776f 726c  ...].hello, worl
 7      7 00000060: 6400 0047 4343 3a20 2855 6275 6e74 7520  d..GCC: (Ubuntu 
 8      8 00000070: 352e 342e 302d 3675 6275 6e74 7531 7e31  5.4.0-6ubuntu1~1
 9      9 00000080: 362e 3034 2e31 3029 2035 2e34 2e30 2032  6.04.10) 5.4.0 2
10     10 00000090: 3031 3630 3630 3900 1400 0000 0000 0000  0160609.........
11     11 000000a0: 017a 5200 0178 1001 1b0c 0708 9001 0000  .zR..x..........
12     12 000000b0: 1c00 0000 1c00 0000 0000 0000 1500 0000  ................
13     13 000000c0: 0041 0e10 8602 430d 0650 0c07 0800 0000  .A....C..P......
14
15..............................截取部分.....................................

• 链接（将obj等文件链接起来，生成可执行文件 -o）
  gcc -o hello hello.o

 1      1 00000000: 7f45 4c46 0201 0100 0000 0000 0000 0000  .ELF............
 2      2 00000010: 0200 3e00 0100 0000 3004 4000 0000 0000  ..>.....0[email protected]
 3      3 00000020: 4000 0000 0000 0000 d819 0000 0000 0000  @...............
 4      4 00000030: 0000 0000 4000 3800 0900 4000 1f00 1c00  [email protected]8[email protected]
 5      5 00000040: 0600 0000 0500 0000 4000 0000 0000 0000  [email protected]
 6      6 00000050: 4000 4000 0000 0000 4000 4000 0000 0000  @[email protected]@[email protected]
 7      7 00000060: f801 0000 0000 0000 f801 0000 0000 0000  ................
 8      8 00000070: 0800 0000 0000 0000 0300 0000 0400 0000  ................
 9      9 00000080: 3802 0000 0000 0000 3802 4000 0000 0000  8.......8[email protected]
10     10 00000090: 3802 4000 0000 0000 1c00 0000 0000 0000  8[email protected]
11..............................截取部分.....................................

计算机系统中的抽象

计算机系统的抽象

• 文件是对I/O设备的抽象
• 虚拟内存是对程序存储器的抽象
• 进程是对一个正在运行程序的抽象