计算机系统漫游

Posted 2021-01-12 lolau

源程序在计算机中是以文本文件的形式保存的，源程序以字节的形式存储在文件中，字节由取值为0和1的位（bit）组成，8个位组成一个字节。

一个c语言程序从文本文件变为可执行文件需要经历预处理、编译、汇编和链接4个阶段。

预处理阶段：预处理器修改源程序中以#开头的代码，如将#include<stdio.h>替换为stdio.h文件的内容，预处理阶段完成后会生成“.i”文本文件。

编译阶段：编译器将".i"文件翻译成汇编语言，生成“.s”文本文件。

汇编阶段：汇编器将“.s”文件翻译成机器语言，生成“.o”二进制文件。

链接阶段：连接器将“.o”文件和标准库“.o”文件（如printf.o）合并成可执行文件。

系统的硬件组成

总线：将信息字节在各个组件间传递的电子管道，总线上传递的数据单位是字，即字节个数，如32位系统一般为4个字节。

I/O设备：输入输出设备，如鼠标、键盘、显示器和网络适配器等。

主存：主存储器，也就是内存，在cpu执行程序时，用于存放程序和数据的地方。

处理器：cpu，计算机的大脑，用于执行存储在主存中的指令，由控制器和运算器和寄存器组成，控制器负责从存储器中取出指令，确定指令类型及译码，按时间的先后顺序向其他部件发出控制信号，统一指挥和协调计算机各器件进行工作的部件；运算器是对数据进行加工处理的部件，可以实现基本的算术运算，还可以进行基本的逻辑运算，实现逻辑判断的比较及数据传递，移位等操作；寄存器是一个字长的存储单元，用于临时存储控制器和运算器需要使用的数据。

高速缓存

        寄存器访问速度很快，但是仅能存储几百字节的信息，内存可以存储几十亿字节的信息，但是访问速度要比寄存器慢100倍。位于cpu芯片上的L1缓存可以存储几万字节的信息，访问速度接近寄存器，L2缓存通过一条特殊的总线连接到cpu，访问速度比L1慢5倍，比内存快5~10倍，L3缓存可以获得更大存储器，并且也能提供较高的访问速度。

        缓存利用了局部性原理，将程序最近需要访问的数据存放在缓存中，以提升效率。

        相对来说，寄存器的L1缓存的缓存，L2缓存是L2缓存的缓存，L3缓存是内存的缓存，内存是磁盘的缓存。

操作系统的抽象

进程是对处理器和虚拟存储器的抽象，是正在运行的程序。

虚拟存储器是对主存和文件的抽象，虚拟存储器为每个进程提供了一个虚拟地址空间，映射到物理内存，使得每个进程看起来在独占内存空间。

文件是对I/O设备的抽象，在linux中，一切皆为文件。

并行和并发

并发指的是同时有多个活动在运行。

并行指的是用并发使一个系统运行得更快。

线程级并发

        单处理器是不能做到对多个线程同时执行的，所以并发一般是是针对多核处理器，每个核都有独立的寄存器、L1/L2高速缓存，L3高速缓存和内存是多个核之间共享的。

指令级并行

        处理器可以同时执行多条指令称为指令级并行。通过流水线（pipelining）将执行一个指令所需要的活动划分为不同的步骤，将处理器的硬件组织成一系列的阶段，每个阶段执行一个步骤，这些阶段可以并行地操作，用来处理不同指令的不同部分。

单指令、多数据并行

        许多现代处理器拥有特殊的硬件，允许一条指令可以产生多个可以并行执行的操作，这种方式称为单指令、多数据，即SIMD并行。