深入理解電腦系統-學習筆記 （1）
本部落格由個人對於 深入理解電腦系統（第三版） 一書的學習筆記整理而成
挺亂的，也挺簡略，畢竟整理筆記也挺麻煩的（
電腦系統漫遊
先看一段程式碼：
#include<stdio.h>
int main()
{
printf("Hello, world\n");
return 0;
}
讓我們看看這段程式的組成，以及它是如何運行的
程式組成
可以看到，這段程式是以位元組序列的方式存儲在文件中的，每個位元組都有一個整數值，對應某些字元，這就是ASCII碼
只由ASCII碼組成的文件稱為文本文件，其餘文件稱為二進位文件
程式編譯過程
像hello.c這樣的高級語言寫出來的程式，雖然能讓人看懂，但卻無法在系統上直接運行。為了能讓系統也讀懂這段程式碼，需要對該程式碼進行多次轉換
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預處理階段
預處理器（cpp）根據以字元#開頭的命令，修改原始的C程式，主要是將讀取的系統頭文件stdio.h中的內容插入到程式文本中。所得的另一個C程式以.i作為文件擴展名
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編譯階段
編譯器（cll）將hello.i程式翻譯為彙編語言，翻譯後的文件以.s作為文件擴展名。這裡只放出main函數的彙編語言：
彙編語言為不同的高級語言的不同編譯器提供了通用的輸出語言
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彙編階段
彙編器（as）將hello.s程式翻譯為機器語言指令，並將其打包成可重定位目標程式的格式，並將結果保存在hello.o中。這是一個二進位文件
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鏈接階段
因為hello程式中調用了printf函數，這是標準C語言庫中的一個函數，存在與一個名為printf.o的單獨的預編譯好了的文件中。為了調用此函數，就必須將這個文件以某種方式合併到我們的程式中，鏈接器（ld）就負責處理這種合併。最終得到的hello文件，就是一個可執行文件，可以被載入到記憶體中，由系統使用
系統的硬體組成
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匯流排
貫穿整個系統的一組點句子管道，攜帶資訊位元組並負責在各個部位間傳遞。通常被設計為傳送定長的位元組塊
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I/O 設備
I/O（輸入/輸出）設備時系統與外部世界的聯繫通道，如作為輸入設備的鍵盤滑鼠，作為輸出設備的顯示器等。通過控制器與適配器與I/O匯流排相連
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主存
一個臨時存儲設備，用於存放程式和程式處理的數據
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處理器
中央處理單元（CPU）簡稱處理器，是解釋（或執行）存儲在主存中指令的引擎
處理器的核心是一個大小為一個字的存儲設備（或暫存器），稱為程式計數器（PC）。PC會一直指向主存中的某條機器語言指令，並進行執行
CPU執行指令的過程圍繞著主存，暫存器文件（register file）和算術/邏輯單元（ALU）進行。暫存器文件是一個小的存儲設備，由一些單個字長的暫存器組成，且每個暫存器都有唯一的名字。ALU則計算新的數據和地址值
CPU大致能夠執行以下一些操作：
- 載入：從主存複製一個位元組或者一個字到暫存器，覆蓋暫存器原來的內容
- 存儲：從暫存器複製一個位元組或者一個字到主存中的某個位置，覆蓋該位置上原本的內容
- 操作：把兩個暫存器的內容複製到ALU，ALU對這兩個字做算術運算 ，並將結果存放到一個暫存器中
- 跳轉：從指令本身中抽取一個字，將這個字輔助到PC中，覆蓋PC原本的值
等等
程式運行過程
接下來我們看看hello程式在運行過程中都發生了什麼：
若我們要在Unix系統中執行hello程式，就需要將程式的文件名輸入到一個名為shell的應用程式中
我們在鍵盤上輸入”./hello”字元串後，shell程式將字元逐一讀入暫存器，再將其存放到記憶體中
當我們敲下回車鍵時，shell程式就知道我們已經結束了命令的輸入，shell會執行一系列指令載入可執行的hello文件。這些指令將hello目標文件中的程式碼和數據從磁碟複製到主存。這裡利用了直接存儲器存取（DMA）技術，讓數據可以不通過處理器而直接從磁碟到主存
目標文件hello中的程式碼和數據被載入到主存後，處理器就開始執行hello程式的main函數中的機器語言指令。這些指令將”hello, world\n”字元串中的位元組從主存複製到暫存器文件，再從暫存器文件中複製到顯示設備，最終顯示在螢幕上
抽象
文件是對I/O設備的抽象，虛擬記憶體是對主存和I/O設備的抽象，進程是對處理器，主存和I/O設備的抽象
進程
程式運行時系統看上去總是只有這個程式在運行，就好像這個程式獨佔了CPU，主存和I/O設備。但運行程式的數量總比CPU數量多，這是由上下文切換實現的
在任何一個時刻，單處理器系統都只能執行一個進程的程式碼。當作業系統決定要吧控制權從當前進程轉移到新進程時，就會發生上下文切換。CPU會不斷切換正在執行的進程，給人CPU在並發地執行多個進程的感覺
執行緒
現代系統中，一個進程可以由多個稱為執行緒的執行單元組成。每個執行緒都運行在進程的上下文中，並共享程式碼和全局數據
虛擬記憶體
虛擬記憶體提供了一個假象：每個進程都在獨佔地使用主存。每個進程看到的記憶體都是一致的，稱為虛擬地址空間
每個進程看到的虛擬地址空間都由大量準確定義的區構成，每個區都有專門的功能。
文件
文件就是位元組序列，每個I/O設備，包括磁碟，鍵盤，顯示器，甚至網路，都可以看成是文件。
文件嚮應用程式提供了一個統一的視圖，來讓程式可以在使用不同磁碟技術的不同系統上運行
