《深入理解计算机系统》1 计算机系统漫游

博主： Loong1996
发布时间：2021 年 12 月 13 日
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3917字数
分类：阅读笔记

### 1 gcc编译器将c文件翻译成可执行目标文件步骤

预处理阶段、编译阶段、汇编阶段、链接阶段

![](https://www.vkxx.com/usr/uploads/2021/12/3132938378.png)

### 2 GUN(GNU's Not Unix)

### 3 了解操作系统益处：

优化程序性能、理解链接时出现的错误、避免安全漏洞

### 4 系统的硬件组成：

![](https://www.vkxx.com/usr/uploads/2021/12/1903258203.png)

- 总线

贯穿整个系统的是一组电子管道，称作 `总线`,它携带信息字节兵负责在各个部件间传递数据

- I/O设备

I/O(输入/输出)设备是系统与外界世界的联系通道。比如：键盘、鼠标、显示器、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

- 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，主存是一组 `动态随机存取存储器(DRAM)`芯片组成。从逻辑上来说，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

- 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)`，成为 `程序计数器(PC)`

### 5 执行Hello程序

![](https://www.vkxx.com/usr/uploads/2021/12/3735287545.png)

![](https://www.vkxx.com/usr/uploads/2021/12/512955656.png)

### 6 高速缓存

根据机械原理，较大的存储设备要比较小的存储设备运行得慢，而快速设备得造假远高于同类得低速设备

**从磁盘驱动器上读取一个字得时间开销要比从主存中读取得开销大1000万倍；类似的处理器从寄存器读取数据要比从主存中读取几乎要快100倍；并且随着半导体技术的进步，这种 `处理器与主存`之间的差距只会越来越大**

针对这种处理器与主存之间的差异，系统设计者采用了更小更快的存储设备，称为 `高速缓存存储器(chache memory，简称为chach或高速缓存)`，作为临时的集结区域，存放处理器近期可能会需要的信息

![](https://www.vkxx.com/usr/uploads/2021/12/3400333545.png)

**SRAM：** 静态随机访问存储器

![](https://www.vkxx.com/usr/uploads/2021/12/2786844645.png)

### 7 操作系统管理硬件

![](https://www.vkxx.com/usr/uploads/2021/12/809866449.png)

程序不直接访问键盘、显示器、磁盘或主存。取而代之由 `操作系统`提供服务。可以把操作系统看成是应用程序和硬件之间插入的一层软件

**操作系统的两个基本功能：** 防止硬件被失控的应用程序滥用；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

![](https://www.vkxx.com/usr/uploads/2021/12/1234867998.png)

#### 7.1 进程

`进程`是操作系统对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。我们称之为 `并发运行`，实际上是说一个进程的指令和另一个进程的指令是交错执行的。操作系统实现这种交错执行的机制称之为 `上下文切换(context switching)`

**上下文：** 操作系统保存进程运行所需的所有状态信息。比如PC和寄存器文件的当前值、主存的内容

![](https://www.vkxx.com/usr/uploads/2021/12/1075494476.png)

#### 7.2 线程

通常认为一个进程只有单一的控制流，但现代系统中，一个进程实际上可以由多个 `线程`的执行单元组成，每个线程都运行在进程的上下文中，并共享同样的代码和全局数据

#### 7.3 虚拟内存

这是一个抽象概念，它为每个进程提供一个假象，好像每个进程都在独占地使用内存。每个进程看到的存储器都是一致的，称为 `虚拟地址空间`

![](https://www.vkxx.com/usr/uploads/2021/12/1488210270.png)

在Linux中，地址是从下往上增大

#### 7.4 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，甚至是网络，都可以看成是文件

系统中的所有输入输出都是通过使用一小组成为Unix I/O的系统函数调用读写文件实现的

#### 8 系统之间利用网络通信

![](https://www.vkxx.com/usr/uploads/2021/12/1779626893.png)

![](https://www.vkxx.com/usr/uploads/2021/12/806945630.png)

### 9 Amdahl定律（阿姆达尔定律）

Gene Amdahl，计算领域的早期先锋之一，对提升系统某一部分性能所带来的效果做出了简单且有见地的观察。这个观察被称为Amdahl定律(Amdahl's law)

该定律的主要思想是，当我们对系统的某个部分加速时，其对系统整体性能的影响取决于该部分的重要性和加速程度

若系统执行某应用程序需要时间为$T_{old}$，系统某部分所需执行时间与该时间的比例为$a$ ，而该部分性能提升比例为$k$，即该部分初始所需时间为$aT_{old}$，现所需时间为$(aT_{old}/k)$。因此，总的执行时间应为：

$T_{new} = (1- a)T_{old} + (aT_{old})/k = T_{old}[(1 - a) + a/k]$

由此可计算加速比$S=T_{old}/T_{new}$为：

$S = \frac{1}{(1 - a) + a/k}$

#### 9.1 例子

假设某部分初始耗时比例为60%($a = 0.6$)，其加速比例因子为3($k = 3$)，则：

$S = \frac{1}{(1 - a) + a/k} = \frac{1}{(1- 0.6) + 0.6/3} = 1.67倍$

> **表示相对性能**
> 
> 性能提升最好的表示方法就是用上面的$S$
> 
> 如果有所改进，则值应大于1。我们可以用后缀"x"表示，如2.2x表示2.2倍

#### 9.2 $S$的特殊形式

Amdahl定律有一个有趣的特殊情况：$k$趋近于$\infty$，即将系统某部分加速到花费的时间可以忽略不计：

$S = \frac{1}{(1 - a)}$

例：假设60%的系统加速到几乎不花时间，那么净加速比也只有 `1/0.4=2.5x`

**可以看出，这么高的比例因子只有通过优化系统的大部分组件才能获得**

### 10 并发和并行

`并发(concurrency)`是一个通用的概念，指一个同时具有多个活动的系统

`并行(parallelism)`指的是用并发来使一个系统运行得更快

并行可以在计算机系统得多个抽象层次上运用，因此，按系统层次结构中由高到低得顺序重点强调3个层次

**1.线程级并发**

构建在进程这个抽象上，能够设计出同时有多个程序执行的系统，这导致了并发。传统意义上，这种并发只是模拟出来的，是通过使一台计算机在它正在执行的进程间快速切换实现的，这种称之为 `单处理系统`。当构建一个由单操作系统内核控制的多处理器组成的系统时，就得到了 `多处理器系统`，随着 `多核处理器`和 `超线程(hyperthreading)`的出现，这种系统才变得常见

![](https://www.vkxx.com/usr/uploads/2021/12/2550653715.png)

![](https://www.vkxx.com/usr/uploads/2021/12/218181951.png)

超线程，有时称为 `同时多线程(simultaneous multi-threading)`，是一项允许一个CPU执行多个控制流的技术。

**2.指令级并行**

在较低的抽象层次上，现代处理器可以同时执行多条指令的属性称为 `指令级并行`

如果处理器可以打到比一个周期一条指令更快的执行速率，就称之为 `超标量(superscalar)`处理器

**3.单指令、多数据并行**

在较低层次上，运行现代处理器拥有特殊的硬件，允许一条指令产生多个可以并行执行的操作，这种方式称之为 `单指令、多数据并行`即SIMD并行

最后修改：2021 年 12 月 19 日

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Loong1996 • 2021 年 12 月 13 日

### 1 gcc编译器将c文件翻译成可执行目标文件步骤

预处理阶段、编译阶段、汇编阶段、链接阶段

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### 2 GUN(GNU's Not Unix)

### 3 了解操作系统益处：

优化程序性能、理解链接时出现的错误、避免安全漏洞

### 4 系统的硬件组成：

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- 总线

贯穿整个系统的是一组电子管道，称作 `总线`,它携带信息字节兵负责在各个部件间传递数据

- I/O设备

I/O(输入/输出)设备是系统与外界世界的联系通道。比如：键盘、鼠标、显示器、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

- 主存

- 处理器

### 5 执行Hello程序

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### 6 高速缓存

根据机械原理，较大的存储设备要比较小的存储设备运行得慢，而快速设备得造假远高于同类得低速设备

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**SRAM：** 静态随机访问存储器

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### 7 操作系统管理硬件

![](https://www.vkxx.com/usr/uploads/2021/12/809866449.png)

程序不直接访问键盘、显示器、磁盘或主存。取而代之由 `操作系统`提供服务。可以把操作系统看成是应用程序和硬件之间插入的一层软件

**操作系统的两个基本功能：** 防止硬件被失控的应用程序滥用；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

![](https://www.vkxx.com/usr/uploads/2021/12/1234867998.png)

#### 7.1 进程

**上下文：** 操作系统保存进程运行所需的所有状态信息。比如PC和寄存器文件的当前值、主存的内容

![](https://www.vkxx.com/usr/uploads/2021/12/1075494476.png)

#### 7.2 线程

#### 7.3 虚拟内存

这是一个抽象概念，它为每个进程提供一个假象，好像每个进程都在独占地使用内存。每个进程看到的存储器都是一致的，称为 `虚拟地址空间`

![](https://www.vkxx.com/usr/uploads/2021/12/1488210270.png)

在Linux中，地址是从下往上增大

#### 7.4 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，甚至是网络，都可以看成是文件

系统中的所有输入输出都是通过使用一小组成为Unix I/O的系统函数调用读写文件实现的

#### 8 系统之间利用网络通信

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### 9 Amdahl定律（阿姆达尔定律）

Gene Amdahl，计算领域的早期先锋之一，对提升系统某一部分性能所带来的效果做出了简单且有见地的观察。这个观察被称为Amdahl定律(Amdahl's law)

该定律的主要思想是，当我们对系统的某个部分加速时，其对系统整体性能的影响取决于该部分的重要性和加速程度

$T_{new} = (1- a)T_{old} + (aT_{old})/k = T_{old}[(1 - a) + a/k]$

由此可计算加速比$S=T_{old}/T_{new}$为：

$S = \frac{1}{(1 - a) + a/k}$

#### 9.1 例子

假设某部分初始耗时比例为60%($a = 0.6$)，其加速比例因子为3($k = 3$)，则：

$S = \frac{1}{(1 - a) + a/k} = \frac{1}{(1- 0.6) + 0.6/3} = 1.67倍$

> **表示相对性能**
> 
> 性能提升最好的表示方法就是用上面的$S$
> 
> 如果有所改进，则值应大于1。我们可以用后缀"x"表示，如2.2x表示2.2倍

#### 9.2 $S$的特殊形式

Amdahl定律有一个有趣的特殊情况：$k$趋近于$\infty$，即将系统某部分加速到花费的时间可以忽略不计：

$S = \frac{1}{(1 - a)}$

例：假设60%的系统加速到几乎不花时间，那么净加速比也只有 `1/0.4=2.5x`

**可以看出，这么高的比例因子只有通过优化系统的大部分组件才能获得**

### 10 并发和并行

`并发(concurrency)`是一个通用的概念，指一个同时具有多个活动的系统

`并行(parallelism)`指的是用并发来使一个系统运行得更快

并行可以在计算机系统得多个抽象层次上运用，因此，按系统层次结构中由高到低得顺序重点强调3个层次

**1.线程级并发**

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超线程，有时称为 `同时多线程(simultaneous multi-threading)`，是一项允许一个CPU执行多个控制流的技术。

**2.指令级并行**

在较低的抽象层次上，现代处理器可以同时执行多条指令的属性称为 `指令级并行`

如果处理器可以打到比一个周期一条指令更快的执行速率，就称之为 `超标量(superscalar)`处理器

**3.单指令、多数据并行**

在较低层次上，运行现代处理器拥有特殊的硬件，允许一条指令产生多个可以并行执行的操作，这种方式称之为 `单指令、多数据并行`即SIMD并行

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