深入了解计算机系统初学记录

1.前言

本书是以程序员的视角描述计算机系统的工作方式。

2.信息表示和处理

计算机使用8bit作为最小的内存单位。
目前常用的计算机表示法，二进制，16进制，10进制。

寻址和字节顺序

1.大端法（从内存末尾开始数据分布）
例如：
有16进制数 0x01234567
内存的低位是01，高位是67。
2.小端法（与大端法相反）
以上俩种方法现代计算机都支持，由不同的操作系统决定使用何种方法。

3.程序的机器级表示

x86-64通用架构的指令集细节（如果你不从事底层开发，只需大概了解）

高级语言如何运行在计算机上

高级语言源代码 - 》二进制码 - 》 链接器链接 - 》 exe程序

4.处理器体系结构

构建一个按顺序执行指令的cpu

你需要构建

1. ALU
2. 存储器
3. pc
4. 时钟

这一部分我推荐完成计算机系统要素的课后项目，还有我自己的半成品项目供你参考。

构建一个流水线化的处理器

在完成上一部分的前提下，我们来将cpu运行的处理进行划分。
将处理组织成阶段（以64位系统为示例）

• 取指（fetch），以pc的值为内存地址，来读取指令字节
  （指令由指令代码和指令功能所组成，各由4个字节组成）

• 译码（decode），从寄存器中读入俩个操作数–》ALU中

• 执行（execute），ALU执行操作，更新目标寄存器
• 访存（memory），将数据写入或读取内存
• 写回（write back），可以将最多俩个结果写到寄存器中

• 更新pc，将pc设为下一条指令的地址上

  流水线的原理

  在每个步骤之间增加寄存器，保存当前指令当前步骤的工作结果。这样指令就可以源源不断的执行。在同一个周期可能执行好几条指令。（实现细节非常复杂，属于电子工程师的工作范畴，仅做了解即可）

5.优化程序性能

程序员角度

• 避免使用复杂度高的算法
• 不要使用不必要的内存引用（也就是不要瞎用变量）
• 不要使用连续的函数调用（也就不要用递归，少调用函数）

编译器作者和硬件角度

1.使用展开循环
2.使用多个积累变量和重新结合
3.用功能性风格重写条件操作，提高并行性
（这一块我看不太懂）

6.存储器层次结构

几种存储器的原理和工作方式

1.静态RAM（SRAM)，双稳态，俩个稳态一个表示0，一个表示1。由逻辑电路构成。
2.动态RAM（DRAM)，每个位是一个小电容，有电就是1，没电就是0 。
3.ROM（非易失性存储器）
- PROM（只可编程一次），本质是一堆电阻丝。
- EPROM（可擦写式ROM），有光擦写和电擦写俩种。
- 闪存（flash memory），更好的电擦写EPROM。
4.磁盘以及SSD

7.链接

将各种代码和数据片段收集并组合成单一文件的过程

静态链接

1.首先将高级语言的代码翻译成二进制代码文件。
2.对于高级语言中的库函数（比如os默认函数，自己安装的库函数）编译后与高级语言的代码翻译成二进制代码文件放在一起，根据某种格式打包为exe文件。

动态链接

方法1，将库函数放在一个专用的内存地址，运行或加载exe时才进行链接。
方法2，让库函数成为位置无关代码（如何实现没看懂）

运行exe

在linux下
1.加载器将exe文件加载到内存上
2.os调用_start函数
3._start函数调用 __libc_start_main函数
4.__libc_start_main函数调用main函数运行exe中指令

8.异常控制流

异常的类型（低级层面）

1.中断， I/O设备的交互
2.陷阱，有意的异常
3.故障，可能修复的错误
4.终止，不可恢复的错误

进程

• 独立的逻辑控制流
• 独立的地址空间

多进程

cpu的时间分片（有多个进程，对于单核cpu同一时间只对一个进程工作）

信号（高级的软件形式的异常）

1.os或进程发送信号给进程
2.进程做出反应

9.虚拟内存

虚拟内存的作用

1.将主存当做是磁盘的高速缓存
2.主存只保存活动区域
3.为每个进程提供了一致的地址空间
4.保护每个进程的地址空间不被其他进程所破坏

虚拟内存的工作方式

将磁盘和内存划分为页。
同时使用一个叫做页表的数据结构用来将虚拟页映射到物理页上。

• 操作虚拟页，查询页表看所需是否在主存上，如果存在，直接使用主存上的数据，若不存在将磁盘页上的内容缓存在主存上，并修改页表。
  （页表的数据结构，以及虚拟内存的细节请自行学习）

10.系统级I/O

UNIX I/O

对于linux系统来说所有i/o都被看做是一个文件。
而i/o操作就可以看做是

• 打开文件
• 改变位置
• 读写文件
• 关闭文件

文件类型

1.文本文件（普通的文字文件）
2.二进制文件（所有多媒体文件）
3.目录（一组链接的文件）
4.套接字（网络通信的文件）

11.网络编程

套接字编程的细节，我推荐学习unix网络编程

12.并发编程

以web服务器为例

多进程

父进程处理客户端连接，子进程处理具体的交互

多线程

一个线程处理一个客户端连接

i/o多路复用

连接到来时进程暂停，当多个i/o事件后才进行处理和返回客户端。

写在最后的话

本书的每一章都有无数的细节，根据你从事方向的不同你需要掌握不同的细节。而学习本书你可以建立起一个完备的计算机模型。有助于你理解程序为啥要这样写。

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本人只是个初学者，错误与疏漏在所难免。欢迎评论指出我的错误。