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Chapter 1

1.1信息就是位+上下文

信息都是使用btye来存储，但不同的环境下储存的东西可能不一样（如内存中的程序，磁盘文件等等）

什么是ASCII？

ASCII(American Standard Code for Information Interchange):*美国标准信息交换码, 用一个字节的7位可以表示。(所以使用一个字节就可以存下)

除此之外还有很多的字符集如：*ISO8859-1、Unicode（为了统一全球的所有字符-2Byte）、UTF-8（用来解决Unicode无法区分一个符号一个字节还是两个字节的问题）等

1.2程序被其他程序翻译成不同的格式

从hello.c(我们读得懂的文本文件)到hello（机器读得懂的文件）的翻译过程由编译器完成

名词解释

内核：操作系统中用于资源分配和硬件管理的程序称为“内核”

GNU（GNU‘s Not Unix）：是一个类Unix操作系统（开源），包含了Unix操作系统的所有主要部件的环境，但内核是Linux，GNU环境里包括了EMACS编译器、GCC编译器等工具。

GCC（GNU Compiler Collection – 编译器套件）：是由GNU开发的编程语言译器，支持多种语言（如c、c++、java等）

编译系统（compilation system）

（小括号中的为各个prosseor的名字）

hello.c: 程序员通过编辑器创建并保存的文本文件

预处理器（Pre processor ）：根据“#”开头的的命令修改原始的c程序，将其直接插入程序文本得到hello.i

编译器（Complier）：将文本文件hello.i翻译为文本文件hello.s,是一个汇编程序，（将不同的编程语言最终使用的都是相同的汇编语言）

汇编器（Assembler）：将汇编程序汇编为一个二进制文件hello.s,内部为可重定向的目标程序（指令编码）

链接器（Linker）：将printf.o（printf为标志C库的一个函数，printf.o是预编译好了二进制文件）和hello.o通过某种方式合并得到hello（二进制文件），加载到内存中被系统执行。

1.3为什么要了解compilation system

1.优化程序的性能（chapter3、5、6）：不同的c语言语句转化为机器代码的方式不同，导致运算的快慢不同。。。通过了解编译系统，写出更加合理快速的code。

2.理解链接时出现的错误（chapter 7）

3.避免安全漏洞（chapter 3）

1.4处理器读取并解释储存在内存中的指令（shell）

shell：命令行解释器（a command-line interpreter）

shell的构成：提示符+待输入的命令行

• 如果待输入的命令行是内置的shell命令，则直接运行
• 如果不是，shell将假设它为一个可执行文件，输入后shell将加载并运行（如hello），然后等待程序终止。

在Unix上运行可执行程序要借助shell

1.4.1系统的硬件组成

1.总线（Buses）

贯穿整个系统的电子管道。（通常传送定长的字节块，也叫字（Word），机器字的长度（字节数）叫字长 如16位 32位 8个字节-64位）

2.I/O设备（I/O Device）

系统与外部世界的联系通道（上图中：作为用户输入的鼠标和键盘，作为用户输出的显示器，以及长期存储数据和程序的磁盘（hello就存放在磁盘中））

IO设备通过控制器或者适配器和I/O总线相连。 作用：I/OBus和I/O设备之间传递信息 区别：控制器集成在主板上，和适配器则是插在主板插槽上的卡

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（由dynamic random access memory 动态随机存取存储器构成，是一个线性字节数组，每个字节都有唯一的地址）

4.处理器（Processer==central processing unit）

处理器也叫中央处理单元，是解释和执行存储在主存中指令的引擎。

CPU的组成：

4.1程序计数器（program counter - PC）：是一个大小为一个字（也就是机器的字长）的存储设备（寄存器），pc是cpu的核心；从上电开始到断电，处理器一直执行pc指向的指令，执行完后再更新pc指向下一条指令。

执行一条指令的步骤：1.处理器将pc指向的内存处读取指令 2.解释指令中的位 3.执行该指令的简单操作 4.更新pc

4.2寄存器文件（register file）：是一个小型存储设备，由一些单个字长的寄存器组成

4.3算术/逻辑单元（arithmetic/logic unit - ALU）：计算新的数据和地址值

CPU指令：

加载（load）：从主存复制一个字节或一个字到register file

存储（Store）：从register file复制一个字节或一个字到主存

操作（Operate）：把两个寄存器（from register file）的内容复制到ALU，ALU对两个字做算术运算，并将结果存放到一个寄存器（from register file）

跳转（Jump）：从指令（from main memory）中抽取一个字到PC中

指令集架构：描述每条指令的效果

微体系结构：描述处理器是如何运行的

1.4.2运行hello程序

Programm from disk to main memory :diret memory access直接存储技术

1.5 高速缓存（Caches Memory）

为什么要有Caches Memory

1.hello的程序从Disk到Main memory再到CPU消耗了大量的系统开销，如何简化流程减小开销？

2.根据越小的存储器运行越快的原理，处理器从Register File读取数据文件的速度»主存»磁盘，如何让处理器拥有大存储容量大同时还有较快的运行速度？

因此为了减小主存和处理器的读取数据速度的差异，在CPU内设置Caches Memory存放经常需要访问的数据。

1.6 存储设备的层次结构

Register File是 L1的高速缓存，L1是L2的高速缓存（以此类推）

1.7操作系统管理硬件

当我们运行hello程序和shell程序时，我们都没有直接访问IO设备和主存，我们使用操作系统提供的服务。

操作系统：应用程序和硬件之间的软件

作用：1.防止硬件被失控的软件滥用 2.向应用程序提供简单的机制来控制复杂的硬件

processes：进程

virtual memory：虚拟内存

Files：文件

1.7.1进程

定义：是对一个正在运行的程序的抽象

并发：多个进程交错执行程序（context switching）

Context：某个进程运行所需要的所有信息（如：PC和寄存器文件的当前值等等）

Context Switch：进行进程切换时，保留当前进程的所有Context，恢复新进程的上下文。

控制权：进程和操作系统都有控制权，操作系统管理分配控制权。（操作系统是房东，房东可以把房子租给租客（进程），也可以收回控制权）

内核：操作系统代码常驻主存的部分，由管理进程的所有代码和数据结构组成。

从一个进程到另一个进程的切换是由操作系统内核（kernel）决定的

1.7.2线程

定义：一个进程可以由多个线程组成，每个线程都在运行进程中的Context，并共享同样的代码和全局数据。

1.7.3虚拟内存

定义：为每个进程都提供一个假想的主存

程序代码和数据：在进程一开始运行时就指定大小

heap：可以动态的收缩和扩展（chapter 9）

共享库：存放C标志库和数学库

stack：实现函数的调用（chapter 3）

内核虚拟内存：不允许读写和直接调用（通过系统调用指令调用–p12页提到了）

每个进程都有自己的虚拟内存（结合下图来理解）

1.7.4文件

文件就是字节序列（包括Disk、I/O设备、显示器等等）

1.8网络通讯

将网络看作一个I/O设备处理。

1.9重要主题

1.9.1Amdahl定律

系统执行某一程序需要时间：Told

在执行这一程序中，有 αTold的时间花在某部分A上

所以执行程序的总时间为：（1- α）Told+ αTold

假设现在A被优化了k倍，执行A需要的时间变为了 αTold/k

所以现在Tnew = （1- α）Told + αTold/k

Told / T new = 1/（1- α+ α/k）

很有意思的事情时 就算k为∞，加速必也还要看1/（1- α）

1.9.2并发和并行

并发（concurrency）：同时具有多个活动的系统（让计算机做的更多）

并行（parallelism）：用并发使一个系统运行的更快（让计算机做的更快）

1.线程级的并发

传统意义上的并发是模拟出来的，是通过进程之间的快速切换实现的。–单处理器系统

多处理器系统：由单操作系统内核（kernel）来控制多处理器组成的系统。

多核（multi-core）：多个CPU核集成在一个电路板上，但仅备份必要的资源（如PC、Register File、Cache），其他的资源（如浮点运算单元unites of floating-point arithmetic）有cpu共享

每个core都有自己的Cache d-cache：保存最近取得的数据 i-cache：保存最近取到的指令（instructions）

超线程（Hyperthreading）：也叫做同时多线程（simultaneous multi- threading）

定义：运行一个cpu同时执行多个控制流的技术

常规的处理去需要花很多的时间（2000个时钟周期）来进行线程之间的切换，而Hyperthreading可以在单个时钟周期的基础上决定执行哪一个线程（比如某个线程需要等某些数据被装载到cache中，那就可以去另处理另一个cpu核心），这时的两个线程是同时运行的。

2.指令级并行

定义：同时执行多条指令

将处理器的硬件划分为不同的阶段，且这些阶段可以并行的操作，这些不同的阶段对应了一条指令的不同部分，由此就可以处理不同指令的不同部分（当某条指令的某一部分执行完后，就去执行下一条指令的该部分）

超标量处理器（super scalar processor）：处理器可以达到比一个周期一条指令的执行速率更快的速率。（chapter 5）

3.单指令，多数据（single-Instruction, Multiple-Data Parallelism - SIMD）:可以对一条指令，多个数据进行操作（比如单精度浮点数指令可以同时处理8对数据）（chapter 5）

1.9.3抽象性

将计算机的硬件抽象为不同的stuff。如下图

操作系统提供了对Processor、Main memory、I/O device的抽象

Part I Programm Structure and Execution

• Basic date types 整数、实数运算如何在计算机中运算

• 机器级别的指令如何操作这些数据

• c语言是如何翻译为这些指令的

• 几种实现处理器的方法

• 存储器子系统的设计