電腦系統的概念(1)

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一從hello world說起

The only way to learn a new programming language is by writing programs in it.The first program to write is the same for all languages:

Print the words

Hello, world

                                                                                                                                                               ——《TCPL》

 

這是TCPL開篇的一句話，那麼作為部落格的開篇，就從這個對於學習所有電腦語言的統一入口——hello world程式說起。

 

首先是這個程式的C語言實現

#include <studio.h>

int main()

{

         printf("hello,world\n");

}

我們按照C語言的要求，將上述內容儲存在名為hello.c的檔案中。這就是——原始碼檔案。

我們知道電腦只能識別0和1這兩種字元，那電腦如何執行我們編寫的程式呢？

對於C語言而言，我們在用文字編輯器編寫程式時，寫下的是字元序列，而序列中的每一個字元，都有一個對應的編碼。以最基本的ASCII編碼來講，上述程式的第一個字元”#”，其二進位表示為00100011，即ASCII碼中的35，用16進位表示為23。按照這種方式，將所有的程式字元，都翻譯一遍，就是如下這個樣子：

 

如果電腦要執行我們用C語言編寫的源檔案，就需要按照上面的方式，將字元序列轉換為由0和1組成的bit序列。這樣的序列，就是程式員的祖師們所採用的編程方式。

 

幸好，我們已經有了C這樣的“進階”電腦語言，編寫程式的效率和程式的可讀性，都大大提高。我們現在編寫程式，幾乎無需關心進階語言怎麼轉化為低級語言或者機器語言。那些工作都由“編譯器驅動程式”去處理。那麼C語言編譯驅動程式到底做了哪些工作呢？我們這裡先給出一個大致的步驟：C語言->組合語言->二進位檔案。

 

二談談電腦的硬體

下面我們談談電腦的硬體:

1主板晶片集：有的主板晶片集分為南橋（SB）和北橋（NB），

北橋主要負責與CPU的聯絡，控制記憶體，有的還提供整合的顯示核心。

南橋主要負責I/O匯流排之間的通訊，如PCI匯流排，USB，LAN，音頻等。

現在的很多主板都沒有北橋了，北橋的記憶體控制功能和整合顯卡功能都由CPU來處理。

2匯流排：匯流排是電腦各個組件之間通訊的線路，他是cpu，記憶體，輸入裝置，輸出裝置傳遞資訊的公用通道，電腦的各種裝置通過介面與匯流排串連，從而可以相互連訊。

3I/O裝置：常見的I/O裝置有：鍵盤，滑鼠，顯示器，硬碟（磁碟機）。

4記憶體：記憶體是由一組DRAM晶片集成的，邏輯上可以看做一個一維位元組數組，每個位元組都有唯一的地址（數組索引），這些地址從0開始，記憶體的容量，即這個數組的索引範圍。

5cpu：cpu是解釋或執行儲存在記憶體中的指令的引擎。它的核心是程式計數器（PC）。

 

從電腦通電開始，CPU就從程式計數器指向的記憶體位址讀取指令，解釋指令，並按照指令的要求執行簡單操作。然後由算數邏輯單位（ALU）計算新的資料和地址，並更新程式計數器指向下一條指令。重複這個動作，電腦則運轉起來。

 

三程式與硬體的結合

說完了硬體，我們繼續回來說hello world，我們要執行一個C語言，要先對其進行編譯產生可執行檔，然後通過一個控制台（Shell）中輸入 ./hello，然後點擊斷行符號，這時控制台上會列印出hello world。

我們放慢速度，詳細說一下這個過程都發生了什麼：

1我們通過鍵盤，輸入”./hello”字元

2點擊斷行符號，這是一個不可見的字元，shell在接收到這個字元後，就會將我們輸入的字元，通過匯流排，逐一讀取到寄存器，然後再通過匯流排將字元存放到儲存空間。

3接下來shell會判斷本行輸入的內容，是否是shell中的內建命令，如果是內建命令則按照內建命令來執行；如果不是，就會在硬碟對應的目錄中尋找一個符合名稱的可執行檔。

4在找到檔案後，會通過一系列指令，將硬碟上的這個檔案的代碼和資料拷貝到記憶體中。

5此時，PC會指向這段程式的開始位置的地址，然後CPU讀取程式二進位指令，然後按照指令執行。這些指令將”hello, world\n”從記憶體拷貝到寄存器檔案，然後從寄存器檔案拷貝到顯示裝置（顯示器），這樣我們在螢幕上就能看到列印的字元了。當然，這些字元在電腦實際儲存的是由0和1組成的序列，只是在顯示的時候，通過點陣形成了自然語言的字元的圖形。

 

由此可見，即使是最基本的hello world程式，要想執行，也會調用電腦的各種硬體裝置。

 

四儲存的階層

為了提高電腦的效能，在cpu的寄存器和記憶體之間，又增加了“快取”。根據其速度和容量，又分一級緩衝（L1），二級緩衝（L2）以及三級緩衝（L3）。

按照這種儲存空間的分層思想，可以形成如下的金字塔結構。

 

 

 

五作業系統

剛才我們談到，電腦調度各種硬體來實現hello world程式的執行，並不是由應用程式直接控制的，而是通過作業系統來統一控制的。

作業系統有兩個準系統：

1防止硬體被應用程式濫用；

2對硬體的控制，提供簡單一致的方法。

 

作業系統有如下一些抽象概念：進程，線程，虛擬儲存空間，檔案。

 

下面逐一做簡單介紹：

進程：是作業系統對運行程式的一種抽象，作業系統儲存進程啟動並執行所有資訊（上下文）。並通過環境切換，實現進程的交錯執行。

 

線程：進程內部可以包含多個稱為線程的執行單元，線程之間可以更高效的傳遞資訊。

 

虛擬儲存空間：每個進程都有其可以控制的一塊獨佔的記憶體地區。這塊獨佔的記憶體，就叫虛擬儲存空間，它由這樣幾個區組成。

1程式碼和資料

2運行時堆

3共用庫

4使用者棧

5核心虛擬儲存空間

 

檔案：檔案就是位元組序列，每個I/O裝置都可以看成是檔案。

通過作業系統與電腦硬體相互結合，實現了應用程式的執行。

六總結

最後總結一下：我們通過一段由C語言編寫的hello world程式，來分析電腦都做了什麼工作。而這個過程，就是電腦系統工作的過程。

由此，我們得到了電腦系統的概念：電腦系統是由硬體和系統軟組成的，它們共同協作，以運行應用程式，從而使電腦為人服務。

電腦系統的概念(1)