【1.4】系统漫游——系统硬件结构以及程序执行过程

如果想真正了解软件的执行过程，就必须分析它所依附的硬件平台。“计算机系统”（广义）发展这么多年，但基本模型不曾改变，不管是通用系统还是嵌入式系统等等。

1、系统硬件结构

一个典型系统的硬件组成如下图所示：



总线：连接系统各个部件的电子线路，做信号传输使用，有点类似于城市中的交通网络。总线一次传输的固定位宽大小，称为“字长”，与公路车道数类似字长越大，效率越高（真正发挥效率，需要系统软件和应用软件都是64bit）。现代计算机一般都是64bit（硬件层），但多数软件还都是32bit，所以硬件效能并没有完全发挥。嵌入式系统中，我们经常提的8bit MCU、16bit MCU、32bit MCU，指的就是它们的线宽，一般线宽与mcu内部寄存器宽度是一致的。

IO设备：也叫input/output设备，有了总线就需要有数据在总线上奔跑，数据从何而来？从IO设备中。对于输入操作，不是任何数据都是有效的，要想在总线上奔跑，必须满足一定的格式要求，那么对“原始数据”进行加工转换的设备叫做“控制器或适配器”。对于输出设备也是如此，计算机的处理结果，要经过适配器的处理才能以我们能看懂的方式展现出来。这也是“层”的概念应用，控制器的两端是计算机和人，只要保持两端接口不变，内部可以任意修改。

主存：就是PC的内存，是程序和数据的临时存储空间，“临时”是因为内存中的数据会掉电丢失；相对的是外存（硬盘），硬盘中的数据可以永久性存储。内存学名叫动态随机存取存储器（DRAM dynamic random access memory），相对的是静态随机存取存储器（SRAM static random access memory）。动态是指里边的数据必须周期性的刷新否则就会丢失；静态则不需要刷新。随机是指整个内存可以看作一个线性数组空间，每个字节都有自己的唯一地址，想取某个地址内容只需要直接给出地址即可，不需要做等待；相对的是顺序读取，就像以前的磁带（摄影机上），如果想取特定地址的内容，只能从某个地址连续的读取，直到目标地址，需要等待。

SRAM比DRAM好，可是我们的内存还只是DRAM。主要是因为SRAM工艺复杂集成度低，容量太小，不适合大容量使用，而这些缺点都是DRAM的优点。但是SRAM速度较快，所以cpu内部的L1L2缓存都用的是SRAM，一般只有10M大小。

处理器：这是系统的核心，负责读取主存中的指令并执行输出，也叫cpu（central processing unit）。cpu的核心是程序计数器PC（program counter），负责指示下一条要执行的“代码”地址。这里的“代码”不再是我们的源程序，而是cpu本身的指令集。不同的架构对应不同的指令集，例如mip指令集、51指令集、arm指令集等等。cpu内部还有一组寄存器组，负责保存临时数据，供运算单元ALU使用。

2、hello程序执行过程

大致熟悉了硬件组织之后，就开始分析程序的执行过程了。首先shell程序等待用户输入命令，我们从键盘键入“./hello”命令，shell依次读取字符到寄存器，然后保存在内存中。数据流如下：



数据流：鼠标、键盘-》io总线-》寄存器-》系统总线-》主存中

当键入“回车键”，shell认为命令输入完成，解析命令。把hello程序的代码和数据从硬盘拷贝到主存中，这个过程不需要cpu参与。现代计算机都有DMA（直接存储器存取）控制器，负责内存和硬盘之间大批量数据传输，最早的计算机中如果需要交换数据，就需要把数据先读到寄存器中，然后再交给对方，大量占用cpu时间。后来专门做了一个DMA控制器，cpu只要告诉DMA控制器数据传输的方向、源地址、目标地址和数据大小，DMA控制器就能自己完成数据传输，完成后给cpu发送完成中断。数据流如下：



当hello文件导入完毕，处理器就开始执行机器语言，把字符串“hello,world\n”从内存导入寄存器中，然后发送给显示设备，就是我们看到的那样。数据流如下：



至此，就完成了整个程序的执行过程，输出完成后shell结束hello程序，继续接管命令窗口，等待用户输入新命令，如此持续循环下去。