深入理解計算機系統 計算機系統漫遊

這裡以最簡單的例子 helloworld 為例，新建乙個 hello.c 的原始檔，新增如下**

#include "stdio.h"

int main()

在執行上述指令的過程中，gcc 讀取目標原始檔，並將其翻譯成可執行檔案，期間可分為四個階段：

(1). 預處理階段

程式根據 # 開頭的指令，修改原始的 c 程式，如 #include "stdio.h" ，這裡告訴預處理器讀取對應系統標頭檔案 stdio.h 的內容，並直接插入到程式文字中，得到乙個 .i 為字尾的檔案，可以通過

gcc -e hello.c 得到該檔案，但此時只會獲得該預處理後檔案的輸出，如果想要儲存該檔案則需使用 gcc -e hello.c -o hello.i  。

(2). 編譯階段

程式會將 hello.i 檔案翻譯成 hello.s 檔案，其包含乙個組合語言程式。可以通過 gcc -s hello.c 來輸出該彙編檔案。

(3). 彙編階段

接下來將 hello.s 翻譯成機器語言指令，把這些指令打包成乙個叫做可重定位目標程式的格式，並將結果儲存在乙個叫做 hello.o 的檔案中，這是乙個二進位制檔案，是 hello.s 的指令編碼。可以通過 gcc -c hello.c 來生成 hello.o 檔案。

(4). 鏈結階段

在 hello.c 檔案中，可以看到其呼叫了 printf 函式，其存在於標準 c 庫中，printf 函式存在於乙個名為 printf.o 的單獨預編譯好了的目標檔案中，而我們呼叫了這個函式，因此需要將其合入到我們的 hello 程式中，鏈結器就負責處理這種合併，將所有 .o 檔案合併結果得到乙個 hello 程式，可以被載入到記憶體當中被系統執行。

(1). 匯流排

匯流排貫穿了整個系統，是一組電子管道，主要負責資訊的傳輸，通常匯流排設計為傳送定長的位元組塊，即字，字的位元組數（也叫字長）是乙個基本的系統引數，不同系統不盡相同，目前大多數機器字長多為 4 個位元組（32位）或 8 個位元組（64位）。

(2). i/o 裝置

i/o 裝置是系統與外部連線的通道，這裡常用的 i/o 裝置主要有鍵盤滑鼠，顯示器，磁碟等。每個 i/o 裝置都通過乙個 控制器 或者 介面卡 與 i/o 匯流排相連線。控制器和介面卡的區別主要在於封裝方式上的不同，控制器通常為 i/o 裝置本身或者系統的主機板上的晶元組，而介面卡通常為一塊插在主機板插槽上的卡，但其功能基本上是一致的，即為 i/o 匯流排和 i/o 裝置之間傳遞資訊。

以上為乙個典型系統的硬體組成。

(3). 主存

主存是乙個臨時儲存裝置，即我們常說的記憶體，主要用來存放程式和程式相關的資料，從物理的層面來說，主存是一組動態隨機儲存器（dram）晶元組成，從邏輯上說，主存是乙個線性的位元組陣列，每個位元組都有其索引（位址），位址從零開始。

(4). 處理器

**處理單元（cpu），簡稱處理器，是解釋（或執行）儲存在主存中指令的引擎，處理器的核心是乙個大小為乙個位元組的儲存裝置（或暫存器），稱為程式計數器（pc），在任何時刻，pc 都指向主存中的一條機器指令。從系統通電開始到斷電，處理器一直在不斷執行程式計數器指向的指令，並且不斷更新該程式計數器，使用指向下一條指令。處理器從程式計數器指向的記憶體處讀取指令，解釋該指令，執行指令的操作，然後更新程式計數器，使其指向下一條指令，而下條指令未必與本次執行的指令相鄰（位址上），如函式呼叫。

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