深入理解計算機系統 第一章 計算機系統漫遊
第一章 計算機系統漫遊
1.1 資訊就是位+上下文
系統中的所有資訊，包括磁碟檔案，記憶體中的程式，記憶體中存放的使用者資料以及網路上傳送的資料，都是由一串位元表示的。區分不同資料物件的唯一方法是我們讀到這些資料物件的上下文。
1.2 程式被其他程式翻譯成不同格式
一個程式的生命週期是從一個高階C語言程式開始的，為了能在系統上執行該程式，每條語句都必須被其他程式轉換成一系列低階機器語言，然後這些指令按照可執行目標程式的格式打包好，並以二進位制檔案的形式儲存起來。得到可執行目標檔案。
這個翻譯過程可歸為四個階段，預處理，編譯，彙編，連結，四個階段構成了編譯系統。
預處理階段
前處理器根據預編譯指令，對C程式進行文字替換。得到.i檔案。
編譯階段
編譯器將.i翻譯成.s，得到一個組合語言程式。C語言和Fortran編譯器產生的輸出檔案都是一樣的組合語言。
彙編階段
將.s檔案翻譯成機器語言指令，並打包成可重定位目標程式，把存在目標檔案.o中。.o是二進位制檔案。
連結
C語言標頭檔案中中的函式存在了預編譯好的目標檔案，因此該階段將呼叫的函式合併到我們的.o檔案中，得到可執行目標檔案。該檔案可以被載入到記憶體中由系統執行。
1.3 瞭解編譯系統如何工作的益處
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優化程式效能
我們需要了解一些機器程式碼以及編譯器如何將C轉換為機器程式碼的方式。不同迴圈語句的比較，switch和ifelse的比較等。
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理解連結時出現的錯誤
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避免安全漏洞，如緩衝區溢位等
1.4 處理器讀並解釋儲存在記憶體中的指令
當程式被編譯完成後，我們可通過shell指令
linux> ./hello
來執行程式
1.4.1 系統的硬體組成
為了理解執行hello程式時發生了什麼，我們需要了解系統的硬體組織。
這是一張近期Intel產品族的模型
匯流排
貫穿於整個系統的電子管道，攜帶資訊位元組並負責在各個部件間傳遞。匯流排傳輸的數是個重要的系統引數。
IO裝置
IO裝置是系統與外部的聯絡通道，每個IO裝置通過控制器或介面卡與IO匯流排相連。控制器和介面卡的差別在於他們的封裝方式。控制器是IO裝置本身或系統的主印刷電路板，介面卡是插在主機板插槽上的卡。
主存
主存用來存放程式和資料，由DRAM構成。按位元組編址。
處理器
處理器按照指令模型來操作，該模型由指令集架構決定。指定按照嚴格的順序執行，並更新PC暫存器。
1.4.2 執行hello程式
shell將hello檔案載入到記憶體中，通過dma技術，檔案可以直接從磁碟到記憶體，不經過cpu。
hello程式將字串中的位元組從主存複製到暫存器，再從暫存器複製到顯示裝置，輸出到磁碟。
1.5 快取記憶體至關重要
如上的簡單示例說明了一個重要問題，計算機會經常進行IO操作。這些開銷減慢了程式執行的速度。因此係統設計者的一個重要目標就是使IO操作儘快完成。
處理器與主存之間存在著巨大的速度差距，並且還在一直擴大。針對這種差異，系統設計者採用了更小更快的高速緩衝儲存器作為暫時儲存。L1快取記憶體通常可達數萬位元組，訪問速度幾乎和訪問暫存器一樣快。通過該方案，能讓記憶體操作基本都在快取中完成，基於程式區域性性原理。
1.6 儲存器的層次結構
計算機的各儲存部件間形成了層次結構，底層速度快，造價高，容量小，高層相反。通過該層次結構，就可以用高層的價格和容量，達到底層的速度。
1.7 作業系統管理硬體
當我們執行程式時，程式並沒有直接訪問計算機硬體，而是通過作業系統提供的服務來訪問。我們可以把作業系統看作是應用程式和硬體之間插入的一層軟體。
作業系統有兩個基本功能：
防止硬體被應用程式濫用，嚮應用程式提供簡單一致的機制來控制硬體裝置。作業系統通過幾個抽象服務來實現，如程序，虛擬記憶體，檔案等。
1.8 系統之間利用網路通訊
現代系統經常通過網路和其它系統連線到一起，網路可視作一個IO裝置，資料流可以通過網路直接發給另一臺機器，不經過本地磁碟，也可通過網路直接讀取資料到主存中。
1.9 重要主題
1.9.1 Amdahl定律
對系統的某一部分加速時，其對系統整體效能影響取決於該部分的重要性和加速程度。
由此可知，想要顯著加速整個系統，必須提升全系統中相當大部分的速度
1.9.2 併發和並行
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執行緒級併發
構建在程序抽象之上，我們能夠設計出同時有多個程式執行的系統，這就導致了併發。自20世紀60年代出現時間共享以來，計算機系統就開始有了對併發執行的支援，但只是簡單的使任務按時間切換。這種配置稱為單處理器系統。
後來隨著多核處理器，超執行緒的出現，我們廣泛使用了多處理器系統，將多個CPU(核)整合到積體電路晶片上，每個核都有自己的L1和L2快取，而共用L3快取.
而超執行緒技術則允許一個核並行執行多個控制流。在使用超執行緒的核中，程式計數器核暫存器有多個備份，共用其他資源。
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指令級並行
在CPU中，使用流水線技術來極大加快指令的執行。如果指令速度快於一週期一條，則可成為超標量處理器。
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單指令，多資料並行
許多處理器擁有特殊的硬體，允許一條指令產生多個並行的資料操作。如SIMD指令可以並行加法，通常需要在程式設計時顯式宣告。