计算机系统-概述

Posted 2020-12-20 jordan95225

1.信息

文本文件：只由ASCII字符构成的文件

二进制文件：所有其他文件

区分不同数据对象的唯一方法：根据字节序列的上下文

2.编译过程

从源文件到可执行目标文件，执行：

gcc -o hello hello.c

分为四个阶段：

• 预处理阶段：预处理器（cpp）修改原来的C程序，得到hello.i文件
• 编译阶段：编译器（ccl）将hello.i文件翻译成hello.s文件，包含汇编语言程序
• 汇编阶段：汇编器（as）将hello.s文件翻译成机器语言指令，将指令打包并保存在hello.o文件中
• 链接阶段：将其他预编译好的目标文件合并到hello.o文件中，得到hello可执行文件

3.处理器读取并解释指令

3.1 硬件组成

1. 总线：携带信息字节并在各个部件之间传递
2. I/O设备：键盘、鼠标、显示器、磁盘，通过控制器或适配器和I/O总线相连
   控制器：I/O设备本身或系统的主板
   适配器：插在主板插槽上的卡
3. 主存：临时存储设备，物理上看，由一组动态随机存取存储器芯片组成，逻辑上看，是一个线性的字节数组
4. 处理器：解释或执行存储在主存中指令的引擎，核心是程序计数器（PC）

CPU的一些操作如下：

• 加载：主存 -> 寄存器
• 存储：寄存器 -> 主存
• 操作：复制两个ALU（算术逻辑单元）的内容到寄存器并做算术运算，将结果保存到一个寄存器中
• 跳转：从指令中抽一个字，复制到PC中，覆盖原来的值

3.2 程序的运行

1. shell程序等待我们输入指令，然后将我们输入的"./hello"字符逐一读入寄存器，再存放到内存
2. 敲回车后，shell程序得知命令输入结束，执行一系列指令加载可执行文件，将hello目标文件中的代码和数据从磁盘复制到内存
3. 处理器执行main程序中的机器语言指令，将要输出的字符串中的字节从主存复制到寄存器文件，再从寄存器文件复制到显示设备，最终显示在屏幕上

4.缓存

为什么需要缓存？

因为从磁盘上读取数据的时间要远远大于主存中的时间，寄存器的速度又比主存快100倍，而且随着半导体技术进步，差距还在增大，针对这种差异，将处理器近期可能会需要的信息存储在高速缓存，让大部分的内存操作在缓存中完成

5.存储设备层次结构

从上到下，访问速度越来越慢，容量越来越大：

• L0：寄存器
• L1高速缓存
• L2高速缓存
• L3高速缓存
• 主存
• 本地磁盘
• 远程存储

上一层的存储器作为低一层的高速缓存

6.操作系统

应用程序和硬件之间的一层软件，有两个功能：

1. 防止硬件被失控的软件滥用
2. 向应用程序提供简单一致的机制控制硬件设备

6.1 进程

操作系统对一个正在运行的程序的抽象

上下文：操作系统保持跟踪进程运行所需的所有状态信息

上下文切换：保存当前进程的上下文，恢复新进程的上下文，将控制器交给新的进程

6.2 线程

一个进程由多个称为线程的执行单元组成，线程之间共享全局数据和代码

6.3 虚拟内存

抽象概念，提供了一个假象，每个进程都在独占使用内存，每个进程看到的内存都是一致的，称为虚拟地址空间。

Linux中地址空间最上面区域保留给操作系统中的代码和数据，底部区域存放用户进程定义的代码和数据。

6.4 文件

就是字节序列，每个I/O设备都可以堪称是文件