深入理解计算机系统（CSAPP）读书笔记 第一章

第1章 计算机系统漫游

1.1 信息就是位+上下文

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。区分不同数据对象的唯一方法是我们读到这些数据对象时的上下文 。比如，在不同的上下文中，一个同样的字节序列可能表示一个整数、浮点数、字符串或者机器指令。

C编程语言的起源: 贝尔实验室的Dennis Ritchie于1969~1973年创建。

C语言和Unix操作系统关系密切，C语言一开始就是作为用于Unix程序的语言所开发；

C语言小而简单；

C语言是为实践目的设计的；

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1.2 程序被其他的程序翻译成不同的格式

#include<stdio.h>

int main()
{
   
    printf("Hello,world\n");
    return 0;
}

在Unix系统中，从源文件到目标文件的格式转换是由编译驱动程序完成的：

linux>gcc -o hello hello.c

GCC 编译驱动程序读取源程序文件hello.c,并将其翻译成一个可执行目标文件hello。翻译过程分为四个阶段完成，执行这四个过程的程序（预编译器、编译器、汇编器和链接器）一起构成了编译系统。

**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。例如：hello.c中的第1行#include<stdio.h> 命令告知处理器读取系统头文件stdio.h的内容，并将它直接插入程序文本中。结果得到了另一个C程序，通常以.i为文件拓展名。

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。汇编语言为不同的高级语言的不同编译器提供可通用的输出语句。

汇编阶段： 汇编器(as)将hello.s翻译成机器语言指令，把这些指令打包成可重定位目标程序的格式，并将结果保存在hello.o文件中。hello.o是一个二进制文件。

链接阶段： hello程序调用了printf函数，它是C标准库中的一个函数。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，必须将其合并入hello.o程序中。链接器(ld)就负责处理这种合并。结果得到了可执行目标文件（简称可执行文件），可以被加载到内存中，由系统执行。

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1.3 了解编译系统如何工作是大有益处的

• 优化程序性能

• 理解链接时出现的错误

• 避免安全漏洞

1.4 处理器读取并解释存储在内存中的指令

1.4.1 系统的硬件组成

• 总线

  贯穿整个系统的一组电子管道，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，一个定长为字（word）。

• I/O设备

  I/O(输入/输出)设备是系统与外界的联系通道。每个I/O设备都通过一个控制器或适配器与I/O总线相连。控制器和适配器的区别在于他们的封装方式。控制器是I/O设备本身或者系统的主印制电路板（通常称做主板）上的芯片组。适配器是一块插在主板卡槽上的卡。他们的功能都是在I/O总线和I/O设备之间传递信息。

  

  CPU：中央处理单元

  ALU：算术/逻辑单元

  PC：程序计数器

  USB：通用串行消息总线

• 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。从物理上说，主存是由一组**动态随机存储器(DRAM)**芯片组成。从逻辑上来说，存储器是一个线性的字节数组，每一个字节都有唯一的地址(数组索引)，这些地址从零开始。

• 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word的存储设备(或寄存器)，称为程序计数器(PC)。在任何时候，PC都指向主存中的某条机器语言指令(含有该条指令的地址)。

  CPU的操作模型由指令集架构决定，操作围绕着主存、寄存器文件和算术/逻辑单元(ALU)进行。

  寄存器文件是一个小的存储设备，有一些单个字长（word）的寄存器组成。

  CPU在指令的要求下可能会执行以下操作：

  • 加载：从主存复制一个字节或者一个word到寄存器，已覆盖寄存器原来的内容
  • 存储：从寄存器复制一个字节或者一个word到主存的某个位置，以覆盖这个位置上元来的内容
  • 操作：将两个寄存器的内容复制到ALU，ALU对这两个字做算术运算，并将结果存放到一个寄存器中，以覆盖寄存器原来的内容
  • 跳转：从指令本身抽取一个字（word）,并将这个字复制到程序计数器（PC）中，以覆盖PC中原来的值

1.4.2 运行hello程序

初始时，shell程序执行它的指令，等待我们输入一个命令。当我们在键盘上输入字符串 "./hello"后，shell程序将字符串逐一读入寄存器，再把它存放到内存中，如下图所示：

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入。然后shell执行一系列的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中复制到主存。数据包括最终会被输出的字符串"hello,world\n"。

利用直接存储器存取(DMA)技术，数据可以不通过处理器而直接从磁盘到达主存。步骤如下图：

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\n"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，最终展示在屏幕上。这个步骤如下图：

1.5 高速缓存至关重要

上述示例揭示了一个重要的问题，系统花费了大量的时间把信息从一个地方挪到（复制）另一个地方。这些复制就是开销。

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。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cache或高速缓存），存放CPU近期可能会需要的信息。高速缓存通过静态随机访问存储器（SRAM）的硬件技术实现。利用高速缓存的局部性原理，即程序具有访问局部区域内的数据和代码的趋势