处理器读取并解释储存在内存中的指令

​ 在shell中加载并运行hello文件。

linux>./hello
hello,world
linux>

​ shell是一个命令行解释器，他输出一个提示符，等待输入一个命令行，然后执行这个命令。如果该命令行的第一个单词不是一个内置的shell命令，那么shell就会假设这是一个可执行文件的名字，他将加载并运行这个文件。所以在此例中，shell将加载并运行hello程序，然后等待程序终止。hello程序在屏幕上输出他的消息，然后终止。shell随后输出一个提示符，等待下一个输入的命令行。

系统的硬件组成

1. 总线

   ​ 贯穿整个系统的是一组电子管道，成为总线，他携带信息字节并负责在各个部件（内存，处理器，I/O设备）间传递。通常总线被设计成传送定长的字节快，也就是字。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。例如32位系统中字长为4个字节，64位系统中字长为8个字节。

2. I/O设备

   ​ I/0设备是系统与外部世界的联系通道，这里我们只引用键盘鼠标，显示器以及磁盘。

   每个I/O设备都通过一个控制器或者适配器与I/O总线相连。控制器和适配器之间的区别主要在于它的封装方式。控制器是I/O设备本身或者系统的主板上的芯片组。而适配器则是一块插在主板插槽上的卡。（非主板或设备集成装置）

3. 主存（DRAM）

   ​ 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。从物理上来讲，主存是由一组动态随机存取存储器（DRAM）芯片组成的。从逻辑上将，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。例如，运行Linux的机器上，short类型需要2个字节来存储，int、float类型需要4个字节，double和long类型需要8个字节。

4. 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。处理器的核心是一个大小为一个字的存储设备，称为程序计数器。32位系统中一个字为4字节，64位系统中一个字为8字节，说白了，PC中存放的是某一条指令的地址。

   ​ 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，指令按照严格的指令顺序执行，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。

   ​ 寄存器文件是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（算术逻辑单元）计算新的数据和地址值。下面是一些简单操作的例子。

   • 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。

​ 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。

​ 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。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(DMA)技木，数据可以个绕过处埋器而直接从磁盘到达主存。

​ 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, world \n”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。

高速缓存

​ 缓存（cache），原始意义是指访问速度比一般随机存取存储器（RAM）快的一种高速存储器，通常它不像系统主存那样使用DRAM技术，而使用昂贵但较快速的SRAM技术(静态随机访问存储器)。缓存的设置是所有现代计算机系统发挥高性能的重要因素之一。

​ 每个计算机系统中的存储设备都被组织成了一个存储器层次结构。