底层原理：深入理解计算机系统#2 一切从"hello world"说起

Posted 2020-11-26 tanee

此时此刻，hw.c源程序已经被翻译成了可执行目标文件hw，并存放在磁盘的某个角落。想要在Unix系统中运行该文件，我们得将它的名字输入到一个称为shell的家伙。shell就相当于之前那个例子中部落的祭祀，它将与神沟通。回到计算机，shell的定义是：一个命令解释器。所谓解释器，便是把某个A解释成某个目标B，shell便是把我们想让系统做事的指令解释给系统听。

shell是一个命令行解释器，它输出一个提示符，等待输入一个命令行，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shell命令，那么shell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。所以现在，shell将会加载hw程序，然后等待程序终止。接着hw程序在屏幕上输出它的消息，然后终止。shell随后输出一个提示符，等待下一次输入的命令行（这个模式就是你linux系统中的终端，或者windows中的cmd.exe）

好吧，我们的第一个程序已经完成了它的工作。但，wait，等待。shell加载了这个程序之后系统内部发生了什么？？

我们暂时先把hw放着。我们需要先学习一些硬件知识才能往下走了。

 

系统的硬件组成：为了理解运行hello程序时到底发生了什么，我们来看看下面这个系统结构：

 

1.总线：贯穿整个系统的一组电子通道，它携带信息字节并负责在各个部件间传递。通常总线被设计成传送定长的字节块，也就是字。字中的字节数，也就是字长，是一个基本的系统参数。各个系统大不相同。现在大多数机器字长要么是4个字节要么是8个字节。（1字节=8位/bit）

 

2.I/O设备：顾名思义，input 和output输入输出，I/O系统是计算机和外界联系的通道。hw程序中就包含了4个IO设备：键盘和鼠标，显示器和硬盘（磁盘）。

每个IO设备都通过一个控制器或者适配器与I/O总线相连。控制器和适配器之间的区别主要是它们的封装方式。控制器就是I/O设备本身或者系统的主电路板（主板）。而适配器是一块插在主板插槽上的卡。它们的功能都是往I/O总线中传递信息。

3.主存：主存是一个临时的储存设备，在处理器执行程序时，用来放程序和程序处理时产生的数据。举一个例子，一个手机修理店，主存就是它的店面，里面放着的手机要么就是刚送来还没拆的。要么就是正在维修的，拆成了好几块的铁块。而磁盘就相当于是它的仓库，它差什么原始部件我就去仓库找。当老板修好手机，一天没活了，关店了。第二天开店又是新的一天。只是老板不会留下任何手机。不管修没修好。第二天都是重新修新的手机。

4.处理器：处理器也叫做CPU 中央处理单元。是执行储存在主存中指令的引擎。处理器的核心是一个大小为一个字的储存设备（寄存器），称为程序计数器。在任何时刻它都指向主存中的某条机器语言指令。在指令下，CPU会执行这些操作：

　　加载：从主存复制一个字节或者一个字到寄存器，以覆盖寄存器原来的内容。

　　储存：从寄存器复制一个字节或者一个字到主存的某个位置，覆盖主存原来的内容。

　　操作：把两个寄存器的内容复制到ALU（ALU是一个可以进行逻辑运算的单元）,ALU对这两个字做算术运算，并将结果放到一个寄存器，覆盖这个寄存器原来的内容。

　　跳转：从指令本身抽取一个字，并将这个字复制到程序计数器中，覆盖原

 

 

来的值。

更加详细的内容我们后面再谈。

 

好了讲了这么多，我们继续回到hw上来，初始时，shell程序在我们输入./hw了以后，shell程序会将字符逐一读入寄存器，再把它放到内存中，如图中紫线：

 

 

 

注意，此时我们没有加载我们的代码程序！ 我们只是把这个命令传到了主存。相当于我们只是告诉老板我要一杯拿铁咖啡，但是实质上只是老板在这个过程只是知道了我的要求（指令），但是还没从兑粉冲出来的一桶咖啡中倒出我们的咖啡（hw源文件）。

下一个阶段：

当在shell程序上敲了回车以后，shell就知道我们结束了命令的输入。shell执行了一些指令，使我们的hw目标文件代码和数据从磁盘复制到主存。这个时候，你也许会问为啥这个时候不走寄存器了，因为这个时候我们使用了DMA（直接存储器读取）技术，数据可以不通过处理器直接从磁盘到主存。步骤如下绿线：

 

一旦目标文件的hw代码和数据加载到了主存，cpu就立即开始执行main中的指令，最终这些指令把字符串“hello world！”的字节形式从主存复制到寄存器文件，再从寄存器中复制到显示设备显示在肉眼可见的屏幕上。如图橙线：

 

好了，这个实例我们大致地，知道了他运作的过程，现在我们来稍微总结一下：

你注意到没，我们在这个过程中有个大问题，系统花了很多时间把信息从一个地方挪到另一个地方。hw一开始在磁盘上，然后程序加载时，他们被复制到主存，当处理器运行程序时，指令又从主存复制到寄存器（处理器中）。从资源角度来说，这些复制就是开销，是减慢程序工作效率的原因，所以系统设计者的一个主要目标就是减少这些开销，让电脑变得更快。