• 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件和系統(tǒng)軟件組成。
• 信息 = 位 + 上下文
• 程序被其他程序翻譯成不同的格式（編譯系統(tǒng)）
• 處理器讀并解釋儲(chǔ)存在內(nèi)存中的指令（程序運(yùn)行）
  • 系統(tǒng)的硬件組成
  • 程序運(yùn)行過程
  • 高速緩存存儲(chǔ)器
  • 存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)
• 操作系統(tǒng)
• 網(wǎng)絡(luò)
• 一些重要概念
  • Amdahl定律
  • 并發(fā)與并行
  • 抽象

信息 = 位 + 上下文

• 源程序：0和1組成的比特序列（字節(jié)序列），序列中每個(gè)字節(jié)對(duì)應(yīng)程序的一個(gè)字符。
• 所有信息都是一串比特，區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)象的唯一方法是上下文。
• 只由ASCII碼字符構(gòu)成的文件稱為文本文件， 其他文件成為二進(jìn)制文件。

程序被其他程序翻譯成不同的格式（編譯系統(tǒng)）

編譯系統(tǒng)

處理器讀并解釋儲(chǔ)存在內(nèi)存中的指令（程序運(yùn)行）

• 編譯系統(tǒng)的翻譯結(jié)果儲(chǔ)存在磁盤上，等待命令行調(diào)用后運(yùn)行。

• shell：命令行解釋器

  系統(tǒng)的硬件組成

  • I/O總線：傳送字節(jié)或字（字節(jié)塊）^[1]

  • I/O設(shè)備：用戶輸入，用戶輸出，磁盤

    每個(gè)I/O設(shè)備都通過控制器或適配器與總線相連

  • 主存：臨時(shí)存儲(chǔ)設(shè)備，存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)（可以理解為線性字節(jié)數(shù)組）

  • 處理器CPU：驅(qū)動(dòng)解釋或執(zhí)行主存中的指令

    • PC：程序計(jì)數(shù)器，指向主存中的命令地址
    • ALU：算術(shù)/邏輯單元，對(duì)數(shù)據(jù)或地址進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算
    • 寄存器文件

  程序運(yùn)行過程

寄存器接受輸入的hello命令并存入主存

磁盤將hello.o載入主存

PC執(zhí)行指令，寄存器從主存讀取"hello world\n"并寫入顯示器

高速緩存存儲(chǔ)器

• 用于存儲(chǔ)處理器近期可能用到的信息，使得大部分內(nèi)存操作都可以在高速緩存中完成
• 多級(jí)高速緩存：兩級(jí)（L1，L2）、三級(jí)（L1，L2，L3）

存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)

• 上一層存儲(chǔ)器作為下一層的高速緩存

操作系統(tǒng)

• 操作系統(tǒng)可以理解為應(yīng)用程序和硬件之間插入的一層軟件。

• 操作系統(tǒng)的基本功能

  • 防止硬件被失控的應(yīng)用程序?yàn)E用
  • 為應(yīng)用程序提供控制硬件的機(jī)制

• 操作系統(tǒng)的三個(gè)基本抽象概念

文件，虛擬內(nèi)存，進(jìn)程

• 進(jìn)程：運(yùn)行中的程序

  • 并發(fā)運(yùn)行：兩個(gè)進(jìn)程的指令交錯(cuò)執(zhí)行，通過處理器的上下文切換實(shí)現(xiàn)。

  • 上下文：進(jìn)程運(yùn)行所需的狀態(tài)信息，包括PC和寄存器文件的當(dāng)前值和主存內(nèi)容等。

  • 上下文切換：保存當(dāng)前進(jìn)程上下文，恢復(fù)新進(jìn)程上下文，并將控制權(quán)交給新進(jìn)程。

  • 操作系統(tǒng)內(nèi)核：系統(tǒng)管理進(jìn)程所用代碼和數(shù)據(jù)的集合，操作系統(tǒng)擁有控制權(quán)實(shí)際上內(nèi)核掌握控制權(quán)。

  • 線程：進(jìn)程的執(zhí)行單元，一個(gè)線程可以理解為一個(gè)控制流。相較于多進(jìn)程，多線程之間更容易共享數(shù)據(jù)且更高效。

控制權(quán)傳遞過程

• 虛擬內(nèi)存：每個(gè)進(jìn)程看到相同的內(nèi)存空間

  • 程序代碼和數(shù)據(jù)
  • 堆：malloc/free
  • 共享庫：C標(biāo)準(zhǔn)庫、數(shù)學(xué)庫等
  • 棧：函數(shù)
  • 內(nèi)核虛擬內(nèi)存：應(yīng)用程序不能直接讀寫內(nèi)核文件或調(diào)用內(nèi)核函數(shù)，必須通過調(diào)用內(nèi)核來執(zhí)行這些操作

• 文件：文件就是字節(jié)序列。所有I\O設(shè)備（包括網(wǎng)絡(luò)）都可以看做文件。

網(wǎng)絡(luò)

• 網(wǎng)絡(luò)也是一種I/O設(shè)備。
• 網(wǎng)絡(luò)的功能
  • 將信息從一臺(tái)機(jī)器復(fù)制到另外一臺(tái)機(jī)器，如電子郵件，即時(shí)通信等。
  • 本地服務(wù)器可以通過網(wǎng)絡(luò)在遠(yuǎn)程服務(wù)器上執(zhí)行程序并返回到本地。

一些重要概念

Amdahl定律

系統(tǒng)某個(gè)部分加速后，對(duì)系統(tǒng)總性能的影響取決于該部分的比例和加速程度。

要想顯著加速系統(tǒng)，就需要提升系統(tǒng)中相當(dāng)大部分的速度。

Amdahl定律

并發(fā)與并行

并發(fā)：具有多個(gè)活動(dòng)的系統(tǒng)

并行：用并發(fā)使系統(tǒng)運(yùn)行更快

• 線程級(jí)并發(fā)
  • 單處理器系統(tǒng)只能模擬進(jìn)程的并發(fā)執(zhí)行（上下文切換）。
  • 多處理器系統(tǒng)減少了模擬進(jìn)程并發(fā)的需要。
  • 超線程處理器允許一個(gè)處理器執(zhí)行多個(gè)控制流，可以實(shí)現(xiàn)多線程并行執(zhí)行。
• 指令級(jí)并行
  • 現(xiàn)代處理器可以同時(shí)執(zhí)行多條指令。
  • 流水線（pipelining）：將指令分為多個(gè)不同步驟，處理器分為多個(gè)不同階段，一個(gè)階段執(zhí)行一個(gè)步驟，且不同階段可以并行操作。
  • 超標(biāo)量處理器：執(zhí)行速率比一個(gè)周期執(zhí)行一條指令更快。
• 單指令、多數(shù)據(jù)并行（SIMD并行）
  • 允許一條指令產(chǎn)生多個(gè)可以并行的操作，如單精度浮點(diǎn)數(shù)加法。

抽象

進(jìn)程：對(duì)運(yùn)行中的程序的抽象

虛擬內(nèi)存：對(duì)程序存儲(chǔ)器的抽象

文件：對(duì)I/O設(shè)備的抽象

指令集架構(gòu)：對(duì)處理器的抽象

虛擬機(jī)：對(duì)整個(gè)計(jì)算機(jī)的抽象，包括操作系統(tǒng)、處理器、程序

1. 我們所說的32位，64位均指機(jī)器字長(zhǎng) ?