漫游计算机系统，了解计算机体系结构

前言

参考文献：《深入理解计算机操作系统》

计算机系统是由硬件和系统软件组成的，它们共同工作来运行应用程序。虽然系统的具体实现方式随着时间不断变化，但是系统内在的概念却没有改变。所有计算机系统都有相似的硬件和软件组件，它们又执行着相似的功能。现在就通过跟踪 hello 程序（c语言为例）的生命周期，开始一次有趣的漫游历程！！！下图为 hello.c 源码：

1.1  信息就是位 + 上下文

        hello 程序的生命周期是从一个源程序（或者说源文件）开始的，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（又称为比特)序列，8 个位被组织成一组，称为字节。每个字节表示程序中的某些文本字符。大部分的现代计算机系统都使用 ASCII 标准来表示文本字符，这种方式实际上就是用一个唯一的单字节大小的整数值 e来表示每个字符。比如，图 1-2 中给出了 hello.c 程序的 ASCII 码表示。

        hello.c 程序是以字节序列的方式储存在文件中的。 每个字节都有一个整数值，对应
于某些字符。例如，第一个字节的整数值是 35, 它对应的就是字符 “ # ”。依此类推。注意，每个文本行都是以一个看不见的换行符 '\n' 来结束的，它所对应的整数值为 10。像 hello.c 这样只由 ASCII 字符构成的文件称为文本文件。
hello.c 的表示方法说明了一个基本思想：系统中所有的信息—包括磁盘文件、内存中的程序、内存中存放的用户数据以及网络上传送的数据，都是由一串比特表示的。

1.2   程序被其他程序翻译成不同的格式

        hello 程序的生命周期是从一个高级 C 语言程序开始的，因为这种形式能够被人读懂。然而，为了在系统上运行 hello.c 程序，每条 C 语句都必须被其他程序转化为一系列的低级机器语言指令。然后这些指令按照一种称为可执行目标程序的格式打好包，并以二进制磁盘文件的形式存放起来。目标程序也称为可执行目标文件。
在 Linux 系统上，从源文件到目标文件的转化是由编译器驱动程序完成的：

linux>   gcc hello.c -o hello

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

• 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 行的 #include < stdio.h> 命令告诉预处理器读取系统头文件stdio.h 的内容，并把它直接插人程序文本中。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：编译器（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。该程序包含函数 main 的定义，如下图所示：定义中 2-7 行的每条语句都以一种文本格式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程序（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，如果我们在文本编辑器中打开 hello.o 文件，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（Id)就负责处理这种合并。结果就得到 hello 文件，它是一个可执行目标文件(或者简称为可执行文件），可以被加载到内存中，由系统执行。
   

1.3  处理器读并解释存储在内存中的指令

此刻，hello .c 源程序已经被编译系统翻译成了可执行目标文件 hello, 并被存放在磁盘上。要想在 Linux 系统上运行该可执行文件，我们将它的文件名输入到称为 shell 的应用程序中：
linux> ./hello
hello, world
linux>
shell 是一个命令行解释器，它输出一个提示符，等待输人一个命令行，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。所以在此例中，shell 将加载并运行hello 程序，然后等待程序终止。hello 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，等待下一个输人的命令行。
 

1.3.1   系统的硬件组成

为了理解运行 hello 程序时发生了什么，我们需要了解一个典型系统的硬件组织，如
图 1-4 所示：

1. 总线
        贯穿整个系统的是一组电子管道，称作总线，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（word)。字中的字节数（即字长）是一个基本的系统参数，各个系统中都不尽相同。现在的大多数机器字长是 8 个字节（64 位）。
2. I /O 设备
        I/O（输人/输出）设备是系统与外部世界的联系通道。我们的示例系统包括四个 I/O 设备：作为用户输人的键盘和鼠标，作为用户输出的显示器，以及用于长期存储数据和程序的磁盘驱动器（简单地说就是磁盘）。最开始，可执行程序 hello 就存放在磁盘上。
3. 主存
        主存是一个临时存储设备，在处理器执行程序时，用来存放程序和程序处理的数据。从物理上来说，主存是由一组动态随机存取存储器（DRAM)芯片组成的。从逻辑上来说，存储器是一个线性的字节数组，每个字节都有其唯一的地址（数组索引），这些地址是从零开始的。
4. 处理器
        中央处理单元（CPU), 简称处理器，是解释(或执行）存储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存储设备（或寄存器），称为程序计数器（PC)。在任何时刻，PC 都指向主存中的某条机器语言指令（即含有该条指令的地址）。
从系统通电开始，直到系统断电，处理器一直在不断地执行程序计数器指向的指令，再更新程序计数器，使其指向下一条指令。

1.3.2   运行hello程序

前面简单描述了系统的硬件组成，现在开始介绍当我们运行示例程序时到底发生了些什么。

        初始时，shell 程序执行它的指令，等待我们输人一个命令。当我们在键盘上输人字符串“./hello” 后，shell 程序将字符逐一读入寄存器，再把它存放到内存中，如图 1-5 所示。

        当我们在键盘上敲回车键时，shell 程序就知道我们已经结束了命令的输人。然后shell 执行一系列指令来加载可执行的 hello 文件，这些指令将 hello 目标文件中的代码和数据从磁盘复制到主存。
利用直接存储器存取技术，数据可以不通过处理器而直接从磁盘到达主存。这个步骤如图 1-6 所示：

        一旦目标文件 hello 中的代码和数据被加载到主存，处理器就开始执行 hello 程序的 main 程序中的机器语言指令。这些指令将 “hello, world\nw 字符串中的字节从主存复制到寄存器文件，再从寄存器文件中复制到显示设备，最终显示在屏幕上。这个步骤如图 1-7 所示。

1.4   高速缓存

        这个简单的示例揭示了一个重要的问题，即系统花费了大量的时间把信息从一个地方挪到另一个地方。hell 程序的机器指令最初是存放在磁盘上，当程序加载时，它们被复制到主存；当处理器运行程序时，指令又从主存复制到处理器。相似地，数据串 “hello,world/n 开始时在磁盘上，然后被复制到主存，最后从主存上复制到显示设备。这些复制就是开销，会减慢了程序 “真正” 的工作。
        根据机械原理，较大的存储设备要比较小的存储设备运行得慢，而快速设备的造价远高
于同类的低速设备。比如说，一个典型系统上的磁盘驱动器可能比主存大 1000 倍，但是对
处理器而言，从磁盘驱动器上读取一个字的时间开销要比从主存中读取的开销大 1000 万倍。
        类似地，一个典型的寄存器文件只存储几百字节的信息，而主存里可存放几十亿字
节。然而，处理器从寄存器文件中读数据比从主存中读取几乎要快 100 倍。更麻烦的是，
随着这些年半导体技术的进步，这种处理器与主存之间的差距还在持续增大。

        针对这种处理器与主存之间的差异，系统设计者采用了更小更快的存储设备，称为高速缓存存储器（cache memory, 简称为 cache 或高速缓存），作为暂时的集结区域，存放处理器近期可能会需要的信息。图 1-8 展示了一个典型系统中的高速缓存存储器。位于处理器芯片上的 L1 高速缓存的容量可以达到数万字节，访问速度几乎和访问寄存器文件一样快。一个容量为数十万到数百万字节的更大的 L2 高速缓存通过一条特殊的总线连接到处理器。进程访问 L2 高速缓存的时间要比访问 L1 高速缓存的时间长 5 倍，但是这仍然比访问主存的时间快 5 10 倍。L1 和 L2 高速缓存是用一种叫做静态随机访问存储器（SRAM)的硬件技术实现的。比较新的、处理能力更强大的系统甚至有三级高速缓存：LI、L2 和L3。

1.5   存储设备形成层次结构

        在处理器和一个较大较慢的设备（例如主存）之间插人一个更小更快的存储设备（例如
高速缓存）的想法已经成为一个普遍的观念。实际上，每个计算机系统中的存储设备都被组织成了一个存储器层次结构，如图 1-9 所示。

        存储器层次结构的主要思想是上一层的存储器作为低一层存储器的高速缓存。因此，寄存器文件就是 L1 的高速缓存，L1 是 L2 的高速缓存，L2 是 L3 的高速缓存，L3 是主存的高速缓存，而主存又是磁盘的高速缓存。

1.6   操作系统管理硬件

        当 shell 加载和运行 hello 程序时，以及 hello 程序输出自己的消息时，shell 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。我们可以把操作系统看成是应用程序和硬件之间插人的一层软件，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功能：

• 防止硬件被失控的应用程序滥用；
• 向应用程序提供简单一致的机制来控制复杂而又通常大不相同的低级硬件设备。

        操作系统通过几个基本的抽象概念（进程、虚拟内存和文件）来实现这两个功能。如图1-11 所示：

1.6.1   进程

        进程是操作系统对一个正在运行的程序的一种抽象。在一个系统上可以同时运行多个进程，而每个进程都好像在独占地使用硬件。而并发运行，则是说一个进程的指令和另一个进程的指令是交错执行的。在大多数系统中，需要运行的进程数是多于可以运行它们的CPU 个数的。一个 CPU 看上去都像是在并发地执行多个进程，这是通过处理器在进程间切换来实现的。操作系统实现这种交错执行的机制称为上下文切换。

        操作系统保持跟踪进程运行所需的所有状态信息。这种状态，也就是上下文。在任何一个时刻，单处理器系统都只能执行一个进程的代码。当操作系统决定要把控制权从当前进程转移到某个新进程时，就会进行上下文切换，即保存当前进程的上下文、恢复新进程的上下文，然后将控制权传递到新进程。新进程就会从它上次停止的地方开始。图 1-12 展示了示例 hello 程序运行场景的基本理念。

1.6.2   线程

        尽管通常我们认为一个进程只有单一的控制流，但是在现代系统中，一个进程实际上
可以由多个称为线程的执行单元组成，每个线程都运行在进程的上下文中，并共享同样的
代码和全局数据。另外，多线程之间比多进程之间更容易共享数据。

1.6.3   虚拟内存

        虚拟内存是一个抽象概念，它为每个进程提供了一个假象，即每个进程都在独占地使用
主存。每个进程看到的内存都是一致的，称为虚拟地址空间。图 1-13 所示的是 Linux 进程的
虚拟地址空间。在 Linux 中，地址空间最上面的区域是保留给操作系统中的代码和数据的，这对所有进程来说都是一样。地址空间的底部区域存放用户进程定义的代码和数据。请注意，图中的地址是从下往上增大的。

1.6.4   文件

        文件就是字节序列，仅此而已。每个 I/O 设备，包括磁盘、 键盘、显示器，甚至网络，都可以看成是文件。

1.7   系统利用网络通信

        系统漫游至此，我们一直是把系统视为一个孤立的硬件和软件的集合体。实际上，现代系统经常通过网络和其他系统连接到一起。从一个单独的系统来看，网络可视为一个I/O 设备，如图 1-14 所示。当系统从主存复制一串字节到网络适配器时，数据流经过网络到达另一台机器。相似地，系统可以读取从其他机器发送来的数据，并把数据复制到自己的主存。

总结

        小结一下我们旋风式的系统漫游。这次讨论得出一个很重要的观点，那就是系统不仅仅只是硬件。系统是硬件和系统软件互相交织的集合体，它们必须共同协作以达到运行应用程序的最终目的。计算机内部的信息被表示为一组组的位，它们依据上下文有不同的解释方式。程序被其他程序翻译成不同的形式，开始时是ASCII 文本，然后被编译器和链接器翻译成二进制可执行文件。处理器读取并解释存放在主存里的二进制指令。因为计算机花费了大量的时间在复制数据，所以将系统中的存储设备划分成层次结构。在层次模型中，位于更高层的存储设备比低层的存储设备要更快，单位比特造价也更高。层次结构中较高层次的存储设备可以作为较低层次设备的高速缓存。

        操作系统内核是应用程序和硬件之间的媒介。它提供三个基本的抽象：

• 文件是对 I/O 设备的抽赛；
• 虚拟内存是对主存和磁盘的抽象；
• 进程是处理器、主存和 I/O 设备的抽象。

最后，网络提供了计算机系统之间通信的手段。从特殊系统的角度来看，网络就是一种 I/O 设备。