深入理解计算机系统

Posted 2020-12-28 alimayun

 

对于程序员来说，计算机基础也是非常重要的一个部分，对于了解程序的执行过程、优化都是非常有帮助的。

一、系统的硬件组成

 

1、总线

贯穿整个系统的是一组电子管道，简称总线，总线携带信息字节并且负责在各个组件中传递。总线被设计成传递定长的字节块，例如32位系统(4个字节)以及64位系统(8个字节)。

2、I/O设备

通常所使用的键盘、鼠标、磁盘以及显示器等等都是I/O设备。每一个I/O设备都通过控制器或适配器与I/O总线相连接。

3、主存

主存是一个临时存放数据的物质，用来存放指令以及程序运行时的数据。是由一组动态随机存取存储器芯片组成，从逻辑上来说，主存是一个线性的字节数组，每个字节都有其对应的唯一的地址。

4、处理器

处理器是计算机系统中的计算处理核心，解释存放在主存中的指令，并且处理器中包含程序计数器，计数器中存放指向主存中的指令地址，处理器获取指令并且执行。

 

二、一个hello world程序是如何运行的？

 

 三、高速缓存

cpu从寄存器中读取信息的速度比从主存中读取快100倍，读取磁盘中的信息速度就更慢了，因此为了解决不同组件读取速度的差异，引入了高速缓存。

 

四、操作系统

软件跟硬件之间的关系由操作系统连接：

操作系统主要提供两个主要的功能：

a、防止程序滥用硬件资源

b、向程序提供简单、统一的机制来控制硬件

为了实现这两个功能，操作系统抽象了几个概念：

 

1、进程

进程是对系统中正在运行的程序的一种抽象，每个进程都好像是占有整个计算机系统的资源，不同的进程独立运行。对于单核cpu(多核cpu则多个进程并行运行)来说，操作系统通过上下文的切换(由操作系统内核管理)达到并发的效果。

所谓并发就是看起来是多个进程同时运行，但是在某个具体的时间点，只有一个进程运行。这么设计的主要原因就是提高运行速度，最大限度的榨取cpu的性能，原因如下：

现在系统中存在两个进程A、B，A进程先运行，然后执行I/O操作，例如入库或是写入到磁盘等等，cpu的运行速度可能比磁盘速度快100万倍，如果这时候cpu阻塞在这，大大浪费性能；因此通过上下文切换的方式，让B进程执行，大大提高性能。

 

2、线程

在现代系统中，线程是程序运行的最小单位，主要是由于线程更轻量级，线程之间切换的成本小于进程之间的切换，而且多线程之间更容易共享数据。

 

3、虚拟内存

在每个运行的进程中，都会存在这样一种假象，就是进程独占内存。每个进程看到的内存都是一致的，称为虚拟地址空间。