计算机系统的重要概念

基本概念

• IA32、x86-64是机器码的标准
• x86-64是IA32的扩展

编译系统

preprocessor, compiler, assembler, linker

程序文本到可执行文件

典型系统的硬件组织

计算机系统硬件结构

总线，在各组件中传递固定大小的字节块（words）

Cache

cache-memory：由于处理器访问处理器内部存储空间（如寄存器）比访问内存要快得多，所以处理器增加暂存区域存储计算机近期可能需要访问的数据。

L1 cache 包括几万字节，访问速度与访问寄存器速度相差无几
L2 cache 包含十万到百万字节，通过特殊的总线与处理器相连，比L1慢5倍，但仍然比访问内存要快5到10倍
L1 L2使用SRAM（static random access memory）
一些计算机系统也有L3 cache

存储体系

存储体系

操作系统

操作系统的目的

(1) 保护硬件，避免软件不安全的直接操作硬件
(2) 将硬件资源抽象，提供统一接口服务给上层应用

操作系统通过进程、线程、虚拟内存、文件系统等设施管理硬件

硬件抽象

context switching：上下文切换，指单CPU运行多个程序时，程序切换过程。多核CPU可以在每个核同时运行程序

内存映像

virtual address space：每个进程有同样的内存视图，进程视自己独占所有的资源

进程虚拟地址空间

程序代码和数据：所有的程序代码有同样的固定起始地址
堆：heap，程序运行期间动态分配的空间
共享库：动态链接
栈：stack，编译器用来实现函数调用而动态使用的空间
内核虚拟镜像：应用程序不可以访问修改

不同系统通信

通过网络可以屏蔽不同系统的实现差异

网络通信

并发实现

并发：concurrency，表示一个系统具有同时存在多个活动的能力的通用概念
并行：parallelism，使用并发使得系统运行更快

1，线程级并发

即多进程，多线程，包括软件和硬件级别的实现

multiprocessor system：多处理器系统，单系统内核控制多个处理器
multi-core：单处理器多个核心

不同处理器的分类：单处理器；多处理器 多核系统架构 Intel Core i7

hyperthreading：超线程，也称同时多线程（ simultaneous multi-threading），单CPU执行多个控制流。CPU的一些硬件组件有多份（如PC指针、寄存器），其他部件只有一份（如浮点运算单元），超线程处理器自行决定本轮时间执行哪个线程；
举例：四核八线程，即CPU有四个核心，每个核心可以同时执行两个线程

2，指令级并行

一个时钟周期执行多条指令，采用流水线技术（pipelining），这种处理器称为超标量体系结构处理器（superscalar processors）

3，单指令，多数据结构并行

SIMD（single-insruction,mltiple-data），即一条指令可以并行执行多个操作（比如一条指令同时对4对单精度浮点数加操作），多用于加速处理图像、声音、视频数据等。

抽象概念

将计算机的操作、硬件抽象出来，则可以不用考虑不同的软硬件实现，使用统一的接口来处理。

计算机系统的重要概念：抽象