1.1 Information = Bits + Context

1. Bits: 0, 1

2. 8-bit chunk ==> bytes ==> character

3. 像 `hello.c` 这样只由 ASCII 字符构成的文件叫做 **text file(文本文件)**。所有其他文件都称为 **Binary File（二进制文件）**。

4. 系统中所有信息都是Bits，用于区分不同数据对象的唯一方法就是 读context。

1.2 program 被其他programs 翻译成了不同形式

0. 首先以hello.c为例子简要说明一下：
C语言是高级语言，但是要执行，必须转化为低级机器语言指令(instruction)，然后这些指令按照一种称为可执行目标程序(executable object program)的格式打包好，并以二进制磁盘文件(binary disk file)的形式存放起来。
在Unix系统中，执行这个过程的就叫做 compiler driver（编译器）。

1. 编译系统

image
pre-processing: hello.c ---(translate)---> hello.i，就是把 #include的那些加到程序中
compilation: hello.i ---(translate)-----> hello.s(包含一个汇编语言程序(assembly-language program))。汇编语言非常哟用，所有编译器最终的输出的都是一样的汇编语言程序。
assembly: hello.s ----(translate)----> machine language instructions -----(package)-----> relocatable object program -----(store in)----> hello.o(binary file containing XX bytes to encode the instructions)
linking: merge 用到的 XXfunction.o 到hello.o中，最终得到hello。

1.3 了解编译系统如何工作大有益处

1.4 Processors Read and Interpret Instructions Stored in Memory

shell is a **command-line interpreter**

在shell 里面，像 下面这么一行， `linux>` 叫prompt
linux> ./hello

1.4.1 系统硬件的组成

典型系统的硬件组成

1. Buses(总线)
   1.1 就是带着bytes of information在各部件之间跑的electric conduit
   1.2 Buses 被设计为transfer固定size bytes（words）的chunks。 word size（一个word中含有多少bytes）是一个基本的系统参数（系统和系统之间不同）。

2. I/O devices
   2.1 I/O 设备就是系统与外部的联系通道。
   2.2 I/O 设备与I/O总线 控制器或适配器（这两者区别在于packaging方式）

3. main memory（主存）
   3.1 物理上，一堆DRAM(dynamic random access memory)
   3.2 逻辑上，a linear array of bytes，每个都子unique address(array index) starting from 0

4. processor(CPU)
   4.1 engine that interprets (or executes) instructions stored in main memory
   4.2 core is word-size storage device (or register) --> program counter (PC)
   4.3 PC points at (contains the address of) some machine-language instruction in main memory.
   4.4 从系统通电到断电，processor就一直在重复执行 被program counter指向的instruction 和 更新program counter来让它指向下个instruction
   4.5 processor只有一些 围绕着 main memory, register file, ALU(算数逻辑单元 arithmetic/logic unit)的简单操作。

   • register file是包含着一系列word-size register 的存储设备，每个都有unique name。
   • ALU是计算新数据和address values。

1.4.2 Running hello program

1. shell program is executing its instructions, waiting for us to type a command
2. we type ./helloat keyboard, shell reads each character into a register, then store into memory
3. we hit enter at the keyboard, shell knows we're done. then load hello file by 执行一系列指令copy code and data in hello object file from disk to memory

1.5 Cache matters

1.6 Storage Devices Form a Hierarchy

1.7 OS manages hardware

我们可以把OS看作是 应用程序 和 硬件 之间插入的一层 **软件**。

操作系统有两个基本功能：
1. 防止硬件被不被控制的的应用程序滥用。
2. 向应用程序提供简单一致的机制来控制复杂又通常不相同的low-level 硬件设备。

操作系统通过 process(进程)，virtual memory(虚拟内存) 和 Files 来实现这两个功能。

操作系统的抽象表示

如上图，files 是对I/O设备的抽象表示。 VM是对主存+I/O设备的抽象表示。process是对processor + 主存 + I/O设备的抽象表示。

1.7.1 Process

当程序在运行的时候，OS会给我们一种假象：好像系统上只有这个程序在运行，好像独占了processor, main memory 和I/O设备。

process是OS对一个正在运行的程序的一种抽象。

concurrent: 一个进程的指令和另一个进程的指令是交错运行的 --> context switching

OS 追踪 process运行所需的所有 状态信息(context)(如program counter, register file的当前值，main memory 内容)

重要例子（shell进程和hello进程）：

1. 只有shell进程在运行，即等待输入。
2. 当需要hello的时候，shell通过调用一个专门的函数(system call)来执行请求, system call 会讲控制权传递给OS
3. OS保存shell进程context，创建新的hello 进程+context，将控制权交给hello。
4. hello运行。
5. hello运行结束后，OS恢复shell的context，并将控制权交给shell。
6. shell继续等待输入。

一个进程到另一个进程的转换是OS的kernel 管理的，kernel是OS code 常驻main memory的部分。
注意：kernel不是一个独立的进程，而是系统管理 全部进程 所用的 **代码和数据结构的集合**。

1.7.2 Thread（线程）

一个进程由多个执行单元（thread）组成。每个thread都运行在process的context中，并share同样的code和全局数据。

1.7.3 Virtual Memory

VM为每个进程提供了一个假象：每个进程都在独占的使用main memory。
每个进程看到的memory都是一致的，成为virtual address space。

进程的虚拟地址空间

Linux中，最上面区域是保留给OS中的代码和数据的，这对所有进程来说都是一样的。
底部区域存放的是code and data defined by the user's process.

虚拟内存的运作需要硬件和OS软件间的精密复杂交互，包括对processor生成的每个地址的硬件翻译。基本思想是：把((一个进程的虚拟内存)的内容)存在disk上，然后用main memory作为disk的cache。

1.7.4 Files

Files 就是a sequence of bytes。所有I/O devices都是Files。系统中所有输入输出都是通过使用一小组称为 Unix I/O的系统函数 调用读写文件来实现的。

Files概念简单精致而强大，因为它向应用程序提供了 **uniform view** --> 来支持各种各样的I/O devices。

1.8 系统之间利用网络通信

网络可以视为一个I/O设备。

利用telnet通过网络远程运行hello程序

1.9 重要主题

1.9.1 Amdahl定律

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。

1.9.2 Concurrency and Parallelism

Concurrency: 一个同事具有多个活动的系统。

Parallelism: 用Concurrency来使一个系统运行的更快。

按照系统层次结构中由高到低的顺序强调三个层次：

1. 线程级并发（Thread-level concurrency）

构建在process(进程)之上，设计出有同时多个程序执行的系统 --> Concurrency
使用Thread(线程)，能在一个process中执行多个control(控制流)。

2. 指令级并行（Instrcution-level Parallelism）

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Instruction-level parallelism。

如果处理器可以达到 比一个周期一条指令更快的执行速率，就成为 super-scalar（超标量）处理器。

3. 单指令、多数据并行(Single-Instruction, Multi-Data Parallelism)

最低层次上，特殊硬件，允许一条指令产生多个可以并行执行的操作 --> 单指令多数据并行。
如： 并行的对 8对float 做加法指令。

1.9.3 计算机系统中抽象的重要性

如API。无需了解内部工作便可以使用代码。
不同编程语言提供不同形式和等级的抽象支持，如Java的declaration 和 C的prototype。

1.10 Summary

计算机系统由硬件和系统软件组成，他们共同协作以运行应用程序。计算机内部的信息被表示为一组组的bits,他们依据context不同，翻译方式也不同。程序被其他程序翻译成不同的形式，从ASCII文本开始，然后被compiler 和 linker 翻译成binary executable files。
processor读取并翻译存放在main memory中的binary instructions。因为计算机花费了大量的时间在内存、I/O、CPU之间复制数据，所以将系统中的存储设备划分成层次结构。层次结构中较高层次的存储设备可以作为较低层次设备的cache。通过理解和运用这种存储层级结构的知识，程序员可以优化C程序的性能。
OS kernels 是应用程序和硬件之间的媒介。它提供了三个基本抽象：
Files <--> I/O devices
Virtual Memory <--> main memory and disk
Process <--> processor and main memory and I/O devices