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了解电源程序员3

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系统硬件组成

为了理解 hello 程序在运行时发生了什么，我们需要首先对系统的硬件有一个认识 。下面这是一张 Intel 系统产品的模型，我们来对其进行解释
总线(Buses)：在整个系统中运行的是称为总线的电气管道的集合，这些总线在组件之间来回传输字节信息 。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（字长）是一个基本的系统参数，各个系统中都不尽相同 。现在大部分的字都是 4 个字节（32 位）或者 8 个字节（64 位） 。
I/O 设备(I/O Devices)：Input/Output 设备是系统和外部世界的连接 。上图中有四类 I/O 设备：用于用户输入的键盘和鼠标，用于用户输出的显示器，一个磁盘驱动用来长时间的保存数据和程序 。刚开始的时候，可执行程序就保存在磁盘上 。

每个I/O 设备连接 I/O 总线都被称为控制器(controller) 或者是 适配器(Adapter) 。控制器和适配器之间的主要区别在于封装方式 。控制器是 I/O 设备本身或者系统的主印制板电路（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 。无论组织形式如何，它们的最终目的都是彼此交换信息 。

主存(Main Memory)，主存是一个临时存储设备，而不是永久性存储，磁盘是 永久性存储 的设备 。主存既保存程序，又保存处理器执行流程所处理的数据 。从物理组成上说，主存是由一系列 DRAM(dynamic random access memory) 动态随机存储构成的集合 。逻辑上说，内存就是一个线性的字节数组，有它唯一的地址编号，从 0 开始 。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，C 程序变量相对应的数据项的大小根据类型进行变化 。比如，在 Linux 的 x86-64 机器上，short 类型的数据需要 2 个字节，int 和 float 需要 4 个字节，而 long 和 double 需要 8 个字节 。

处理器(Processor)，CPU(central processing unit) 或者简单的处理器，是解释（并执行）存储在主存储器中的指令的引擎 。处理器的核心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 。处理器根据其指令集体系结构定义的指令模型进行操作 。在这个模型中，指令按照严格的顺序执行，执行一条指令涉及执行一系列的步骤 。处理器从程序计数器指向的内存中读取指令，解释指令中的位，执行该指令指示的一些简单操作，然后更新程序计数器以指向下一条指令 。指令与指令之间可能连续，可能不连续（比如 jmp 指令就不会顺序读取）

下面是 CPU 可能执行简单操作的几个步骤

加载(Load)：从主存中拷贝一个字节或者一个字到内存中，覆盖寄存器先前的内容

存储(Store)：将寄存器中的字节或字复制到主存储器中的某个位置，从而覆盖该位置的先前内容

操作(Operate)：把两个寄存器的内容复制到 ALU(Arithmetic logic unit) 。把两个字进行算术运算，并把结果存储在寄存器中，重写寄存器先前的内容 。
算术逻辑单元（ALU）是对数字二进制数执行算术和按位运算的组合数字电子电路 。

跳转(jump)：从指令中抽取一个字，把这个字复制到程序计数器(PC) 中，覆盖原来的值

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