第1章 计算机系统漫游（深入理解计算机系统）

Posted 2021-01-01 cinvzi

1 #include <stdio.h>
2 
3 int main() 
4 {
5     printf("hello, world
");
6 }

1.1 信息就是位+上下文

hello程序的声明周期是从一个源程序开始的，即程序员利用编辑器创建并保存的文本文件，文件名是hello.c。源程序实际上就是一个由值0和1组成的位（bit）序列，每8个位被组成成一组，称为字节。每个字节表示程序中的某个文本字符。

大部分的现在系统都使用ASCII标准来表示文本字符，这种方式就是用一个唯一的单字节大小的整数值来表示每个字符。hello.c以字节序列的方式存储在文件中，每个字节都有一个整数值，而该整数值对应于某个字符。例如，整数值35对应于字符‘#’，105对应与字符‘i’。像hello.c这样只由ASCII字符构成的文件称为文本文件，所有其他文件都称为二进制文件。

hello.c的表示方法说明一个：系统中所有的信息，包括磁盘文件、存储器中的程序。存储器中存放的用户数据以及网络上传送的数据，都是由一串位表示的。区分不同数据对象唯一的方法是我们读到这些数据对象时的上下文。

 

1.2 程序被其他程序翻译成不同的格式

hello程序的声明周期是从一个高级C语言程序开始的，为了在系统上运行，必须被其他程序转化为一系列的低级机器语言指令，然后按照一种称为可执行目标程序的格式打包好，并以二进制磁盘文件的形式存放起来。

在Unix系统上，从源文件到目标文件的转发时由编译器驱动程序完成的：

unix> gcc -o hello hello.c

GCC编译器驱动程序读取源文件hello.c，并把它翻译成一个可执行目标文件hello。这个翻译的过程分为四个阶段完成，如图1-3所示。执行这四个阶段的程序（预处理器、编译器、汇编器、链接器）一起构成了编译系统（compilation system）。

图1-3 编译系统

• 预处理阶段。预处理器（cpp）根据以字符#开头的命令，修改原始的C程序。比如hello.c中第1行#include <stdio.h>命令告诉预处理器读取系统头文件stdio.h的内容，并把它直接插入到程序文本中，结果就得到了另一个C程序，通常是以.i作为文件扩展名。
• 编译阶段。汇编器（ccl）将文本文件hello.i翻译成文本文件hello.s，它包含一个汇编语言程序。汇编语言程序中的每一条语句都以一种标准的文本格式确切地描述了一条低级机器语言指令。
• 汇编阶段。汇编器（as）将hello.s翻译成机器语言指令，把这些指令打包成一种叫做可重定位目标文件（relocatable object program）的格式，并将结果保存在目标文件hello.o中。hello.o文件是一个二进制文件，它的字节编码是机器语言指令而不是字符。如果在文本编辑器中打开将看到一堆乱码。
• 链接阶段。hello程序调用了printf函数，它是每个C编译器都会提供的标准C库中的一个函数。printf函数存在于一个名为printf.o的单独的预编译好了的目标文件中。而这个文件必须以某种方式合并到我们的hello.o程序中。链接器（ld）就负责执行处理这种合并。结果就得到hello文件，它是一个可执行目标文件，被加载到内存中，由系统执行。

 

1.4 处理器读并解释存储在存储器中的指令

hello.c源程序已经被编译系统翻译成了可执行目标文件hello，并存放在磁盘上。要想在Unix系统上运行该可执行文件，需要将它输入到称为外壳（shell）的应用程序中：

unix> ./hello
hello, world
unix>

外壳是一个命令行解释器，它输出一个提示符，等待你输入一个命令行，然后执行这个命令。如果该命令行的第一个单词不是一个内置的外壳命令，那么外壳就会假设这是一个可执行文件的名字，它将加载并运行这个文件。

1.4.1 系统的硬件组成

如图1-4所示，这张图是Intel Pentium系统产品系列的模型。

 

    1.总线

 

    2.I/O设备

 

    3.主存

 

    4.处理器

 

1.7 操作系统管理硬件

 当外壳加载和运行hello程序，以及hello程序输出自己的消息时，外壳和hello程序都没有直接访问键盘、显示器、磁盘或者主存。取而代之的是，它们依靠操作系统提供的服务。我们把操作系统看成是应用和硬件之间插入的一层软件，如图1-10所示。所有应用程序对硬件的操作尝试都必须通过操作系统。

操作系统有两个基本的功能：1）防止硬件被失控的应用程序滥用。2）向应用程序提供简单一致的机制来控制复杂而又通常大相径庭的低级硬件设备。操作系统通过几个基本的抽象概念（进程、虚拟存储器和文件）来实现这两个功能。如图1-11所示，文件是对I/O设备的抽象表示，虚拟存储器是对储存和磁盘I/O设备的抽象表示，进程则是对处理器、主存和I/O设备的抽象表示。

虚拟机，提供对整个计算机（包括操作系统、处理器和程序）的抽象。