CSC3060 Introduction to Computer Systems

L0 前言

课本：深入理解计算机系统 Computer Systems: A Programmer's Perspective, 3/E (CS:APP3e)

网站：https://hansimov.gitbook.io/csapp

L1 计算机系统漫游

计算机系统是由硬件和系统软件组成的，它们共同工作来运行应用程序。

本书先用一个小例子来引起读者兴趣，并让读者构建一个简单的框架。

#include <stdio.h>

int main() {
    printf("FUCK, world!\n");
    return 0;
}

这个程序是从源文件开始的，比如文件名叫做 hello.c，用 ASCII 标准来表示文本字符存在系统里。

C 编程语言：是由贝尔实验室的人创建的，有三个特点让它变得成功：1. 与 Unix 操作系统关系密切，或者说其开始就是作为 Unix 的程序语言开发出来的，也写了很多 Unix 的工具和库；2. 小而简单，易于学习，也易于移植到不同的计算机上；3. C 是为实践目的设计的。这使得其成为系统级编程的首选，也适用于应用级程序。

接着，这个程序会被编译成不同的格式，由高级编程语言转化为低级机器语言指令，打包。下图为编译系统。

了解编译系统之后，我们可以：

• 优化程序性能
• 理解链接时出现的错误
• 避免安全漏洞

此刻，我们已经将源程序编译成了可执行目标文件 hello，并被存放在磁盘上。然后我们将其运行！关于这个时候程序发生的事情，我们需要了解系统的硬件组成（下图）。

总线：贯穿整个系统的电子管道，携带信息字节并负责在各个部件间传递。

I/O 设备：Input / Output 设备是系统与外界的联系通道，例如键盘、鼠标、显示器和磁盘。每个 I/O 设备都是通过一个控制器或适配器与 I/O 总线连接起来的，控制器是主板上的芯片组，适配器则是一块插在主板插槽上的卡。

主存：临时储存设备，在处理器执行程序时用来存放程序和程序处理的数据，是由一组 DRAM（动态随机存取存储器）芯片组成的，本质上是栈性的字节数组。

处理器：中央处理单元（CPU）的简称，是解释或执行存储在主存中指令的引擎，其核心是一个被称为程序计数器（PC）的字长大小的存储设备（或寄存器），还有算术逻辑单元（ALU）。CPU 在指令的要求下可能会执行这些操作：

• 加载：从主存复制一个字节（字）到寄存器，覆盖寄存器原来的内容
• 存储：从寄存器复制一个字节（字）到主存的某个位置，覆盖原来内容
• 更新：复制两个寄存器的内容到 ALU，ALU 将两个字相加，并将结果存放到一个寄存器中，覆盖原来内容
• I/O 读写：将一个 I/O 设备中复制一个字节（字）到寄存器，或者反过来
• 转移：从指令本身中抽取一个字，并将其复制到 PC 中，覆盖原来的值