计算机系统概览-优快云博客

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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

区分不同数据对象的唯一方法是我们都到这些数据对象时的上下文

信息就是位加上下文

unix> gcc -o hello hello.c

预处理阶段

预处理器（cpp）根据以#开头的命令，修改原始C程序，将头文件内容直接插入到程序文本中，得到另外一个C程序，通常以.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，包含一个汇编语言程序。汇编语言程序中的每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程序的格式，并将结果保存在目标文件hello.o中
链接阶段

hello程序调用了printf函数，printf函数存在于一个名为printf.o的单独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）就负责处理这种合并

从上至下，设备变得访问速度越来越慢、容量越来越大，每字节的造价也越来越便宜

存储器层次结构

一层上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，主存是磁盘的高速缓存

操作系统通过抽象概念（进程、虚拟存储器、文件）来实现这两个功能

进 程 ⎧ ⎩ ⎨ ⎪ ⎪ 处 理 器 虚 拟 存 储 器 {主 存 文 件 {I/O 设 备

$进程 \begin{cases} 处理器 \\ 虚拟存储器 \begin{cases} 主存 \\ 文件 \begin{cases} \text{I/O设备} \end{cases} \end{cases} \end{cases}$

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

并发运行是说一个进程的指令和另一个的指令是交错之行的

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

无论是单核还是多核系统中，一个CPU看上去都像是在并发地之行多个进程，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，叫做上下文，包括许多信息，例如PC和寄存器文件的当前值，以及主存的内容。

当操作系统决定要把控制权从当前进程转移到某个新的进程时，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的进程，新进程就会从上次停止的地方开始

实现进程这个抽象的概念需要低级硬件和操作系统软件之间的紧密合作

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，贡献同样的代码和全局数据

虚拟存储器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。每个进程看到的是一致的存储器，称为虚拟地址空间

虚拟地址空间

内核虚拟存储器

内核总是主流在内存中，是操作系统的一部分，地址空间顶部的区域是为内核保留的，不允许应用程序读写这个区域的内容或者直接调用内核代码定义的函数
栈

编译器使用栈来实现函数调用

用户栈在程序执行期间可以动态地扩展和收缩
共享库

大约在地址空间的中间部分是一块用来存放像C标准库和数学库这样共享库的代码和数据的区域
堆

当调用乳malloc和free这样标准C库函数时，堆可以在运行时动态地扩展和收缩
程序代码和数据

对所有进程来说，代码是从同一固定地址开始，紧接着的是和C全局变量相对应的数据位置

代码和数据区是可以直接按照可执行目标文件的内容初始化的