程序执行与硬件架构：从CPU到操作系统-优快云博客

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本文详细介绍了程序从源代码到可执行文件的编译过程，包括预处理、编译、汇编和链接四个步骤。同时，阐述了CPU的组成，如程序计数器、寄存器和算术逻辑单元，以及内存、总线和输入输出设备的角色。还讲解了程序执行流程，从shell加载到内存执行，以及存储设备的层次结构。此外，讨论了操作系统的功能，如进程管理、虚拟内存和文件抽象。最后，提到了并行计算的基本概念和相关定律，如阿姆达尔定律、古斯塔法森定律和孙-倪定律。

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注：以下所有内容均来自开源学习组织DataWhale

1. 编译系统的工作流程

1 #include <stdio.h>
2
3 int main(){
4 	printf(” hello , world ”);
5 	return 0;
6 }

通过 gcc -o hello hello.c生成可执行程序的工作流称如下：

预处理(hello.c $→\rightarrow$ hello.i) ：根据#读取头文件中内容直接插入到源程序中，得到另外一个C程序
编译(hello.i $→\rightarrow$ hello.s)：词法分析、语法分析、语义分析、中间代码生成及优化
汇编(hello.s $→\rightarrow$ hello.o)：将汇编程序hello.s翻译成机器指令，打包并重定位hello.o
链接(hello.o $→\rightarrow$ hello可执行文件)：hello程序中调用了printf函数，链接器负责把printf所在文件printf.o与hello.o进行合并，最后得到hello可执行文件

2. 硬件架构

在这里插入图片描述

2.1 CPU(Central Processing Unit，处理器)

包含PC(Program Count，程序计数器)、寄存器堆(Register file)、ALU(Arithmatic/logic Unit，算数/逻辑计算单元)三部分

PC：4 byte / 8 byte的存储空间，存放某一条指令的地址。处理器不断地执行PC指向的指令。
寄存器：临时存放数据的空间。
ALU：计算速度极快，专攻算数与逻辑计算，计算机核心部分。

2.2 内存

处理器执行程序时，内存主要存放程序指令及数据。

2.3 总线

内存和处理器间通过总线进行数据传递。总线通常是固定长度的字节块，即字（word），一个字4 / 8byte。

2.4 输入输出设备

每一个输入输出设备都通过一个控制器或者适配器与IO总线连接。

3 程序执行流程

输入“./hello”字符串，shell程序会将输入的字符逐一读入寄存器，处理器把hello这个字符串放入内存
按下回车后，shell执行一系列指令加载可执行文件hello
这些指令将hello文件中的数据（即“hello, world\n”）和代码从磁盘复制到内存，复制过程利用DMA技术，可以不经过处理器，从磁盘直接到达内存
4.当hello中的代码和数据加载到内存后，处理器开始执行main函数中的代码，hello中只有一个打印功能
CPU将“hello, world\n”字符串从内存复制到寄存器，再从寄存器复制到显示器

4 存储设备的层次结构

在这里插入图片描述

通常存储容量越小，速度越快，价格越高，上一层存储设备是下一层存储设备的告诉缓存。

5 操作系统管理硬件

文件是对IO设备的抽象
虚拟内存是对内存和磁盘IO的抽象
进程是对处理器、内存和IO设备的抽象

5.1 进程

假如只有两个并发的进程：shell进程和hello进程。

一开始只有shell进程在运行
hello通过shell被加载后，系统调用会将控制权从shell传递给操作系统，操作系统保留shell的上下文，创建一个新的hello进程及其上下文，并将控制权转交给新的hello进程
hello进程执行完，操作系统会回复shell进程的上下文，并把控制权交给shell，shell等待下一个命令的输入

上下文即进程运行所需的所有状态信息，如当前PC和寄存器的值，以及内存中的内容等

一个进程由多个线程组成，每个线程都运行在进程的上下文中，共享代码和数据。

5.2 虚拟内存

操作系统为每个进程提供了一个假象，就是每个进程都在独自占用整个内存空间，每个进程看到的内存都是一样的，我们称之为虚拟地址空间。

在这里插入图片描述

从下至上依次：

存放程序代码和数据区域 $→\rightarrow$ 堆 $→\rightarrow$ 共享库存放区域 $→\rightarrow$ 用户栈 $→\rightarrow$ 内核保留区域

*注：存放程序代码和数据的内容由可执行文件加载而来；C语言里malloc申请区域在堆中；栈的增长方向是由高地址到低地址；内核保留区域对应用程序不可见

5.3 文件

Linux系统的哲学思想：一切皆文件。

6 定律

任务（task）：并行计算所处理的对象
工作量（workload）：处理某任务的所需的各种开销的总和
处理器（processor）：并行计算中所使用的最基本的处理器单元
执行率（execution rat）：每个处理器单位时间内能完成的工作量
执行时间（execution time）：处理某任务所需的时间
加速比（scalability）：当处理器个数增多时，完成某固定工作量任务所需执行时间的减少倍数
理想加速比（ideal scalability）：处理器个数增多的比例
并行效率（parallel efficiency）：加速比 ÷ 理想加速比 × 100%

6.1 阿姆达尔定律

记 α ∈ [0, 1] 是某任务无法并行处理部分所占的比例. 假设该任务的工作量固定，则对任意 n 个处理器，相比于 1 个处理器，能够取得的加速比满足:
$\normalsize S(n) < \frac{1}{\alpha}$

6.2 古斯塔法森定律

记 α ∈ [0, 1] 是某任务无法并行处理部分所占的比例. 假设该任务的工作量可以随着处理器个数缩放，从而保持处理时间固定. 则对任意 n 个处理器，相比于 1 个处理器，能够取得的加速比 S (n) 不存在上界.

6.3 孙-倪定律

记 α 是某任务无法并行处理部分所占的比例. 假设该任务的可并行部分随着处理器个数 n 按照因子 G(n) 缩放，则对任意 n，相比于 1 个处理器，能够取得的加速比 $ S^*(n) $ 满足
$\normalsize S^*(n) = \frac{\alpha + (1-\alpha) G(n)}{\alpha + (1-\alpha)\frac{G(n)}{n}}$