系统的硬件组成

总线

贯穿整个系统的是一组电子管道，称作总线，它携带信息字节并负责在各个部件间传递。通常总线被设计成传送定长的字节块，也就是字(word)。

字中的字节数(即字长)是一个基本的系统参数，各个系统中都不尽相同。现在的大多数机器字长要么是 4 个字节(32位)，要么是8个字节(64 位)。

I/0设备

I/O(输入/输出)设备是系统与外部世界的联系通道。
示例系统包括四个 I/0设备：

作为用户输人的键盘和鼠标，

作为用户输出的显示器，

以及用于长期存储数据和程序的磁盘驱动器(简单地说就是磁盘)。

最开始，可执行程序 hello 就存放在磁盘上。每个 I/0 设备都通过一个控制器或适配器与I/0 总线相连。

控制器和适配器之间的区别主要在于它们的封装方式。控制器是I /O 设备本身或者系统的主印制电路板(通常称作主板)上的芯片组。

而适配器则是一块插在主板插槽上的卡。无论如何，它们的功能都是在I/O 总线和I/0 设备之间传递信息。

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，主存是由一组动态随机存取存储器(DRAM)芯片组成的。

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。

一般来说，组成程序的每条机器指令都由不同数量的字节构成。

与C程序变量相对应的数据项的大小是根据类型变化的。

比如，在运行 Linux 的 x86-64 机器上，short 类型的数据需要 2个字节，int 和 float 类型需要 4 个字节，而 long和 double类型需要 8个字节。

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。

程序计数器（PC）

处理器的核心是一个大小为一个字的存储设备(或寄存器)，称为程序计数器(PC)。

在任何时刻，PC 都指向主存中的某条机器语言指令(即含有该条指令的地址)。

从系统通电开始，直到系统断电，处理器一直在不断地执行程序计数器指向的指令再更新程序计数器，使其指向下一条指令。

处理器看上去是按照一个非常简单的指令执行模型来操作的，这个模型是由指令集架构决定的。在这个模型中，指令按照严格的顺序执行，而执行一条指令包含执行一系列的步骤。处理器从程序计数器指向的内存处读取指令，解释指令中的位，执行该指令指示的简单操作，然后更新 PC，使其指向下一条指令。

而这条指令并不一定和在内存中刚刚执行的指令相邻。这样的简单操作并不多，它们围绕着主存、寄存器文件(register file)和算术/逻辑单元(ALU)进行。

寄存器文件是一个小的存储设备，由一些单个字长的寄存器组成，每个寄存器都有唯一的名字。

ALU 计算新的数据和地址值。下面是一些简单操作的例子CPU 在指令的要求下可能会执行这些操作。

加载:

从主存复制一个字节或者一个字到寄存器，以覆盖寄存器原来的内容

存储:

从寄存器复制一个字节或者一个字到主存的某个位置，以覆盖这个位置上原来的内容。

操作:

把两个寄存器的内容复制到 ALU，ALU 对这两个字做算术运算，并将结果存放到一个寄存器中，以覆盖该寄存器中原来的内容。

跳转:

从指令本身中抽取一个字，并将这个字复制到程序计数器(PC)中，以覆盖PC 中原来的值。

处理器看上去是它的指令集架构的简单实现，但是实际上现代处理器使用了非常复杂的机制来加速程序的执行。

因此，我们将处理器的指令集架构和处理器的微体系结构区分开来：

指令集架构描述的是每条机器代码指令的效果;

而微体系结构描述的是处理器实际上是如何实现的。

运行 hello 程序

前面简单描述了系统的硬件组成和操作，现在开始介绍当我们运行示例程序时到底发生了些什么。

读入寄存器，再把它存放到内存

初始时，shell 程序执行它的指令，等待我们输人一个命令。当我们在键盘上输入字符串“./hello”后，shell程序将字符逐一读入寄存器，再把它存放到内存中，如图 1-5 所示。

当我们在键盘上敲回车键时，shell 程序就知道我们已经结束了命令的输人。

从磁盘加载程序到主存

然后shell执行一系列指令来加载可执行的 hello 文件，这些指令将 hello 目标文件中的代码和数据从磁盘复制到主存。数据包括最终会被输出的字符串“hello，world\n”，利用直接存储器存取技术，数据可以不通过处理器而直接从磁盘到达主存。

这个步骤如图 1-6 所示。

处理器执行程序并显示

一旦目标文件 hello中的代码和数据被加载到主存，处理器就开始执行 hello程序的 main 程序中的机器语言指令。这些指令将“hello,worldn”字符串中的字节从主存复制到寄存器文件，再从寄存器文件中复制到显示设备，最终显示在屏幕上。这个步骤如图1-7所示。

参考

《深入理解计算机系统》