深入理解计算机系统读书笔记

第 1 章 计算机系统漫游

信息就是位 + 上下文

• 源程序实际上就是一个由值 0 和 1 组成的位（又称位比特）序列，8 个字节被组织成一组，称为字节。每个字节表示程序中的某些文本字符。

• 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的传送的数据，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。

系统的硬件组成

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1. 总线：贯穿整个系统的是一组电子管道，称作总线，它携带信息字节并负责在各个部件间传递。2. I/O 设备：I/O （输入/输出）设备是系统与外部世界的联系通道。一般系统都包括四个 I/O 设备：作为用户输入的键盘和鼠标，作为用户输出的显示器，以及用于长期存储数据和程序的磁盘驱动器（简单的说解释磁盘）。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。控制器和适配器之间的区别主要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刷电路板（通常称作主板）上的芯片组。二适配器则是一块插在主板插槽上的卡。无论如何，他们的功能都是在 I/O 总线和 I/O 设备之间传递信息。3. 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。从物理上来说，主存是由一组 **动态随机存取存储器（DRAM）** 芯片组成的。从逻辑上说，存储器是一个线性的字节数组，每个字节都有其唯一的地址（数组索引），这些地址是从零开始的。一般来说，组成程序的每条机器指令都由不同数量的字节构成。4. 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字的存储设备（或寄存器），称为**程序计数器（PC）**。在任何时刻，PC 都指向主存中的某条机器语言指令（即含有该指令的地址）。

• 高速缓存存储器（cache memory，简称 cache 或高速缓存），作为暂时的集结区域，存放近期可能会需要的信息。
• 静态随机访问存储器（SRAM）

存储设备形成层次结构

• 存储器层次结构的主要思想是上一层的存储器作为低一层存储器的高速缓存。

操作系统管理硬件

• 我们可以吧操作系统看成是应用程序和硬件之间的一层软件，所有应用程序对硬件的操作尝试都必须通过操作系统。
• 操作系统有两个基本功能：
  
  1. 防止硬件被失控的应用程序滥用；
  2. 向应用程序提供简单一致的机制来控制复杂而又通常大不相同的低级硬件设备。
     
     • 操作系统通过几个基本的抽象概念（进程、虚拟内存和文件）来实现这两个功能。
     • 文件是对 I/O 设备的抽象表示，虚拟内存是对主存和磁盘 I/O 设备的抽象表示，进程是对处理器、主存和 I/O 设备的抽象表示。

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• 进程：
  
  • 进程是操作系统对一个正在运行程序的一种抽象。在一个系统上可以同时运行多个进程，而每个进程都好像在独占地使用硬件。而并发运行，则是说一个进程的指令和另一个进程的指令是交错执行的。
  • 从一个进程到另一个进程的转换是由操作系统 内核（kernel） 管理的。内核是操作系统代码常驻主存的部分。内核是系统管理全部进程所用代码和数据结构的集合。

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• 线程：
  
  • 在现代系统中，一个进程实际上可以由多个称为线程的执行单元组成，每个线都运行在进程的上下文中，并共享同样的代码和全局数据。

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• 虚拟内存：
  
  • 虚拟内存是一个抽象概念，它为每个进程提供了一个假象，即每个进程都在独占地使用主存。每个进程看到的内存都是一致的，称为 虚拟地址空间 。

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• 文件：
  
  • 文件就是字节序列，仅此而已。每个 I/O 设备，包括磁盘、键盘、显示器，甚至网络，都可以看成是文件。

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计算机系统中抽象的重要性

• 文件是对 I/O 设备的抽象。
• 虚拟内存是对程序存储器的抽象。
• 进程是对一个正在运行的程序的抽象。
• 虚拟机是对整个计算机的抽象。

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小结

• 计算机系统是由硬件和系统软件组成的，他们共同协作以运行应用程序。计算机内部的信息被表示为一组组的位，他们依据上下文有不同的解释方式。程序被其他程序翻译成不同的形式，开始时是 ASCII 文本，然后编译器和链接器翻译成二进制可执行文件。

• 处理器读取并解释存放在主存里的二进制指令。因为计算机花费了大量的时间在内存、I/O 设备和 CPU 寄存器之间复制复制数据，所以将系统中的存储设备划分成层次结构——CPU 寄存器在顶部，接着是多层的硬件高速缓存器、DRAM 主存和磁盘存储器。在层次模型中，位于更高层的存储设备比底层的存储设备要更快，单位比特造价也更高。层次结构中较高层次的存储设备可以作为较低层次设备的高速缓存。通过理解和运用这种存储层次结构的知识，程序员可以优化 C 程序的性能。

• 操作系统内核是应用程序和硬盘之间的媒介。他提供三个基本的抽象：

  1. 文件是对 I/O 设备的抽象；
  2. 虚拟内存是对主存和磁盘的抽象；
  3. 进程是处理器、主存和 I/O 设备的抽象。

• 最后，网络提供了计算机系统之间通信的手段。从特殊系统的角度来看，网络就是一种 I/O 设备。

第二章 信息的表示和处理

信息存储

- 机器级程序将内存视为一个非常大的字节数组，称为**虚拟内存（virtual memory）**。内存的每个字节都由一个唯一的数字来标识，称为它的**地址（address）**，所有可能地址的集合就称为**虚拟地址空间（virtual address space）**。顾名思义，这个虚拟地址空间只是一个展现给机器级程序的概念性映像。实际的实现是将动态随机访问存储器（DRAM）、闪存、磁盘存储器，特殊硬件和操作系统软件结合起来，为程序提供一个看上去统一的字节数组。

十六进制表示法

- 一个字节由 8 位组成。由于二进制表示法太冗长，而十进制表示法与位模式的互相转化很麻烦。所以以 16 为基数，叫做**十六进制（hexadecimal）数**，来表示位模式。十六进制（简写为‘hex’）使用 ‘0’ ～ ‘9’ 以及字符 ‘A' ~ 'F'