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  • 当计算机系统执行通道程序
    2021-07-16 02:19:23

    第四章练习题(1)

    一、单项选择题

    在下面各题的4个备选答案中,只有一个答案是正确的,请把正确答案的标号(A~D)填入题后面的括号中。

    1.输入输出数据不经过CPU内部寄存器的输入输出方式是(B )。

    A.程序控制输入输出方式

    B.直接存储器访问方式

    C.中断输入输出方式

    D.上面3种方式

    2.直接存储器访问方式的并行性是指( A )。

    A.CPU和DMA控制器并行工作

    B.C PU和主存储器并行工作

    C.外设和主存储器并行工作

    D.多个外设可以同时并行地通过DMA控制器进行数据传送

    3.指令执行结果出现异常而引起的中断是(C)。

    A.外部中断

    B.机器校验中断

    C.程序性中断

    D.I/O中断

    4. 主存故障引起的中断是(B )。

    A.外部中断

    B.机器校验中断

    C.程序性中断

    D.I/O中断

    5. 在中断处理过程中,完全由硬件自动执行的步骤是(D)。

    A.返回中断点

    B.识别中断源

    C.保存将被中断服务程序破坏的通用寄存器中的内容

    D.保存中断点

    6. 在配置有通道的计算机系统中,用户程序需要输入输出时,引起的中断是(C)。

    A.程序性中断

    B.外部中断

    C.访管中断

    D.I/O中断

    7. 通道程序结束时引起的中断是(A )。

    A.I/O中断

    B.访管中断

    C.外部中断

    D.程序性中断

    8. 当计算机系统通过执行通道程序完成输入输出工作时,执行通道程序的是( D )。通道处理机。。

    A.指定的外设

    B.C PU和通道

    C.C PU

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  • 程序虽然写了不少,但觉得自己对计算机和程序本质的了解依然是小白,偶然间发现了老王的《深入理解计算机系统》,看了目录,如获至宝,是了,这就是我想要的书。可他的是英文版的,理解起来好费劲,所以我入了一本...

    前言

    注:本博客技术文章同步在个人微信公众号(双螺旋炼丹师)发布;

    啊啊啊,好气,兴致勃勃写了一堆前言,结果csdn在线文档卡机了。文档都没存下来。
    好了,也不重新赘述了,大意是虽然我不是码农,非计算机专业出身,但是写程序也是日常工作必备技能。程序虽然写了不少,但觉得自己对计算机和程序本质的了解依然是小白,偶然间发现了老王的《深入理解计算机系统》,看了目录,如获至宝,是了,这就是我想要的书。可他的是英文版的,理解起来好费劲,所以我入了一本中文版的。其实入了有一段时间,一直懒着没看,这周才捡起来细细阅读。
    接下来将会写一系列的读书笔记,内容几乎是参考这本书,但是会根据自己的理解提炼出一些主题,主题涉及的内容次序相比原书本会简练一些,也会加入一些书中没有涉及到的小知识点。

    “Hello,world”是各编程语言的开门语句,那我的第一篇就以“hello,world”为例来说明程序是如何运行的。
    与书本保持一致,本系列文档的编程语言均为C语言。

    本篇内容会分三个部分来介绍程序的运行过程,即,
    计算机系统的硬件组成
    程序的编写和编译
    程序的运行

    计算机系统的硬件组成

    首先,我们来看一下一个典型的计算机系统的硬件组成,如下,
    计算机系统的硬件组成
    接着,我们将逐一说明上图涉及的硬件。

    1)总线

    • 总线贯穿整个计算机系统,对应的实物即为一组电子管,负责在各个部件间传递字节信息。
    • 上图涉及的总线包含:系统总线、内存总线、I/O总线。
    • 总线通常被设计成传送定长的字节块,也就是字。一个字节块/字由多个字节构成,一个字节由8个比特构成。
    • 字节块的长度(即字长,或者字中的字节数)是一个系统的基本参数,如我们常说的32位系统,字长为4个字节,64位系统则为8个字节。

    2)I/O设备
    I/O设备即输入/输出设备,是系统与外部世界的联系通道。
    以上图示包含4个I/0设备,

    • 鼠标和键盘:用于用户输入;
    • 显示器:用于用户输出;
    • 磁盘驱动器:用于长期存数数据和程序。

    3)主存储器

    • 主存储器也就是我们常说的内存,是一个临时存储设备,用来存放要运行的程序和程序处理的数据;
    • 从物理硬件角度,主存储器是一组芯片;
    • 从逻辑角度,主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(即从0开始的数组索引)。
      注:为了与日常描述一致,后续主存储器统一描述成内存;

    4)处理器

    • 处理器即是我们常说的CPU,也称“中央处理单元”,是解释(或执行)存储在内存中指令的引擎。
    • PC:此处PC的中文名称为“程序计数器”,是CPU的核心,它是一个大小为一个字的存储设备(或寄存器);在任何时刻,PC都指向内存中的某条机器语言指令。注:从系统通电开始到断电结束,CPU一直在不断地执行PC指向的指令。
    • 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:也称“算术/逻辑单元”,负责计算新的数据和地址值。

    程序的编写和编译

    程序的编写

    编写程序的第一步当然是创建一份包含源代码的文本文件,以打印“hello,world”为例,

    #include <stdio.h>
    
    int main()
    {
    	Printf(“hello,world!”);
        Return 0;
    }
    
    

    我们通过编辑器创建并保存以上内容,文件命名为hello.c,该文件即为源程序(或者说源文件)。
    在计算机系统中,源程序实际上是一个由0和1组成的位序列(也成为比特序列),8个位构成一组,称为“字节”。一个字节则是上述源程序文本中的一个字符。字符和字节之间的对应关系即是我们常说的的ASCII码表。

    程序的编译

    在C语言中,源文件无法被直接运行,需要被转化成二进制的可执行文件才能行使它的功能,这个转化过程就是我们所说的“编译”。
    Unix系统中,从源文件到可执行文件的转化是由GCC编译器驱动程序完成的:

    gcc  -o hello hello.c
    

    gcc读取hello.c文件内容,并把它翻译成一个可执行目标文件hello。
    该过程由四个阶段构成:预处理器编译器汇编器链接器;该四个过程一起构成了编译系统
    编译系统
    1) 预处理阶段

    预处理器cpp根据以字符#开头的命令,修改原始的程序;

    如我们的hello程序中#开头语句为:#include <studio.h>,cpp读取该内容后会将系统头文件studio.h的内容直接插入到hello.c中,继而形成另一个C程序,即hello.i(一般是以.i作为文件扩展名)

    2) 编译阶段

    编译阶段由编译器ccl完成,ccl将文本文件hello.i翻译成文本文件hello.s

    3) 汇编阶段

    汇编器as将hello.s翻译成机器语言二进制指令,并把这些内容打包成一种叫做可重定位目标程序的格式,结果保存在hello.o中。

    hello.o包含了main程序要执行的指令编码。

    4) 链接阶段
    链接器ld的作用是合并程序中用到的其他函数的指令,得到最终的可执行目标程序/文件
    如,

    • hello程序调用了printf函数;
    • printf是C语言的标准库中的函数,存在一个名为printf.o的独立预编译目标文件中;
      链接器ld需要将printf.o合并到hello.o文件中,最终得到可执行目标文件hello

    程序的运行

    第二步中终于准备好了可执行文件hello,该文件可以被加载到内存中,由系统执行。
    程序的运行分三步执行:
    1) 系统从键盘读取命令
    用户通过键盘在shell终端输入”./hello”时(未按回车键),shell程序将字符逐一读入寄存器,并将它放入缓存中。
    下图黑色加粗线条展示了该过程的数据流向,蓝色背景方框表示该过程涉及的硬件。
    系统从键盘读取hello命令

    2) 系统从磁盘加载可执行文件到内存
    当我们在键盘上敲下回车键时,shell程序认为我们已经结束了命令的输入;
    紧接着,shell执行指令从磁盘存储中读取可执行文件hello,将文件中的代码和数据从磁盘复制到内存。
    从磁盘加载可执行程序到内存
    3) 系统执行可执行文件内容并输出到终端显示器
    当可执行文件hello中的代码和数据被加载到内存,处理器开始执行程序中的main程序中的机器语言指令。
    这些指令将”hello,world\n”字符串中的字节从内存复制到寄存器文件,再从寄存器文件复制到显示设备,最终在显示屏上呈现”hello,world”字符。
    将输出字符串从存储器写到显示器
    注:文中图片均系本人在PPT中绘制;

    那么以上就是hello程序运行的实际过程,希望你看完这篇对自己程序的运行过程有了更深的印象和感受。

    <End>

    展开全文
  • 计算机系统结构-字节多路通道

    千次阅读 2021-07-18 04:53:06
    以下纯属个人远古回忆(仅理解可以,严谨学术自行查找):计算机系统结构在发展的过程中,为了提高效率,高速设备向低速设备传输数据,出现了(channel)字节多路通道。 比如:要打印一些数据,在没有出现(通道channel...

    以下纯属个人远古回忆(仅当理解可以,严谨学术自行查找):

    计算机系统结构在发展的过程中,为了提高效率,高速设备向低速设备传输数据,出现了(channel)字节多路通道。 比如:要打印一些数据,在没有出现(通道channel)字节多路通道以前的流程是,读取内存中的数据到缓存,再通过cpu写出到io总线,io总线写出到打印机。这个过程中间,由于是直接通过cpu写过去的,所以很浪费cpu。 后来出现了channel,我们只需要申请一个打印io请求,交由cpu去编写一段程序,然后由channel通道处理器去执行这段程序,执行完成后再通知cpu,cpu做善后处理。当然,在io数据传输总线,有多个通道就是我们说的字节多路通道了。以前需要来回切系统管态和目态,现在它的切换次数将会大大减少,所以cpu资源耗费也将大大减少,而且有了通道处理去去执行数据传输程序,cpu也可以完全投入其他任务的处理,只需要在完成的时候做一下善后即可。

    常见题目解释:

    栗子:

    某字节多路通道连接5台外设,数据传送速率分别如下表所示:

    设备号 1 2 3 4 5 传送速率(MB/s) 0.1 0.2 0.04 0.05 0.01

    (1)计算所有设备都工作时的通道实际最大流量; (2)如果设计的通道工作周期使通道极限流量恰好与通道最大实际流量相等,以满足流量设计的基本要求,同时让传送速率越高的设备响应的优先级越高。从5台设备同时发出请求开始,画出此通道响应和处理各设备请求的时间示意图。

    答案:

    37a02dcdf64147646690c7893c7603b9.png

    如图所示: 该字节多路通道最大传送率为:0.4MB/s 那它每字节的传送所耗费时间就是 1/0.4 = 2.5 us 由因为2号设备的传送速率为0.2,所以它从传送一个字节到通过io总线传送完毕需要5us,所以如果5台设备同时请求,高速率优先的话,那2号设备2.5us传送完毕(虽然传送完毕,但到io总线跑完还要2.5us,发送完毕后即可进行1号设备的数据发送,同理也需要2.5us,故在第5us的时候,2号设备发送完毕,因为在2.5us以前它正在进行2号设备的字节发送,所以不会进行其他设备的字节发送,依照这个逻辑可推出后续。图中箭头表示数据发送请求,实心点表示发送完成的时间点。因为发送1字节需要2.5us,所以它每个字节的间隔时间也是2.5us。

    展开全文
  • 一.计算机的基本组成

    一.计算机的基本组成

    计算机系统是由硬件系统和软件系统两大部分组成。
    计算机硬件是构成计算机系统各功能部件的集合。是由电子、机械和光电元件组成的各种计算机部件和设备的总称,是计算机完成各项工作的物质基础。计算机硬件是看得见、摸得着的,实实在在存在的物理实体。
    计算机软件是指与计算机系统操作有关的各种程序以及任何与之相关的文档和数据的集合。其中程序是用程序设计语言描述的适合计算机执行的语句指令序列。
    没有安装任何软件的计算机通常称为“裸机”,裸机是无法工作的。如果计算机硬件脱离了计算机软件,那么它就成为了一台无用的机器。如果计算机软件脱离了计算机的硬件就失去了它运行的物质基础;所以说二者相互依存,缺一不可,共同构成一个完整的计算机系统。

    这里写图片描述

    二.cpu的基本组成

    运算器组成:

    • 算术逻辑单元(ALU)
    • 通用寄存器组(R1 ~Rn)
    • 多路选择器(Mn)
    • 标志寄存器(FR)

    控制器组成:

    • 时标发生器(TGU)
    • 主脉冲振荡器(MF)
    • 地址形成器(AGU)
    • 程序计数器(PC)
    • 指令寄存器(IR)
    • 指令译码器(ID)
    • MAR(主存地址寄存器)
    • MDR(主存数据寄存器)

    如何读取内存中的数据

    总结:      链路:   内存总线,数据总线 译码器  所存单元输入端接收来自cpu或内存的数据

    方式:按块加载(缓存行)

     程序编译后分为几段,比如代码段,数据段(编译后就开始分页分段,建立虚拟内存),加载运行后,先是创建一个进程,再把相应的段映射到相应的位置,然后根据pc的值,一条一条的执行完指令

    一般来说,读写数据都是相对于cpu的。

    当程序加载进内存后,指令放在code段,数据放在data段。data段中数据的地址由段寄存器和该数据偏移组成。code段的地址由cs和ip寄存器组成。

    cpu向内存写数据的时,相当于将数据写入内存地址中。数据的地址经过地址总线送给译码器,译码器的有效输出送给锁存单元的使能端,而cpu中寄存器数据通过数据总线送给锁存单元的输入端,实现数据存入内存。

    cpu读内存数据时,相当于将内存地址中的数据读入cpu。数据的地址经过地址总线送给译码器,译码器的有效输出送给锁存单元的使能端,此时锁存单元将输出端数据送入数据总线,再通过数据总线送入cpu。

    cpu与内存通过数据总线交换数据,数据总线是双向的。

    JVM与CPU之间的联系


    (是JVM中的寄存器跟CPU寄存器之间的关系,确切来说)

    我们知道,JVM只是一个用户进程,在OS中只是一段内存空间,不能直接访问内存等硬件设备,需通过系统调用陷入到内核中

    jvm是用户进程,jvm使用的内存是内存的一部分,jvm将解释后的机器语言(内存中),等待cpu通过控制总线调度执行.

    系统调用

    1、保存 CPU 寄存器里原来用户态的指令位

    2、为了执行内核态代码,CPU 寄存器需要更新为内核态指令的新位置。

    3、跳转到内核态运行内核任务。

    4、当系统调用结束后,CPU 寄存器需要恢复原来保存的用户态,然后再切换到用户空间,继续运行进程。

    内核才能访问这些特权资源,所以JVM与CPU之间还隔着OS这一层,JVM的PC寄存器并没有物理实现,它只是CPU寄存器的抽象模拟。
     

    三.进程内存映射

    进程不能直接放在内存的两个原因

    1.内存空间是稀缺资源,把整个进程放到内存浪费内存空间,导致并发能力降低

    2.相互进程间有可能相互打扰,造成进程不安全

    解决办法:虚拟内存解决相互打扰的问题,段页式调度逻辑解决占用空间问题

    什么是虚拟内存

    它将计算机的RAM硬盘上的临时空间组合。当RAM运行速率缓慢时,它便将数据从RAM移动到称为“分页文件”的空间中。将数据移入分页文件可释放RAM,以便完成工作。 一般而言,计算机的RAM容量越大,程序运行得越快。若计算机的速率由于RAM可用空间匮乏而减缓,则可尝试通过增加虚拟内存来进行补偿。但是,计算机从RAM读取数据的速率要比从硬盘读取数据的速率快,因而扩增RAM容量(可加内存条)是最佳选择。虚拟内存是Windows 为作为内存使用的一部分硬盘空间。虚拟内存在硬盘上其实就是为一个硕大无比的文件,文件名是PageFile.Sys

    虚拟内存_百度百科段页式调度

    虚拟内存_百度百科(里面有)

    四.cpu与内存的通信

    按块(缓存行读取)

    缓存不一致问题

    由于CPU的读写速度远远大于内存的读写速度,所以为了解决CPU访问主内存效率低下的问题,CPU引入了缓存。这时因为主内存和缓存都会存有数据,那么势必要保证缓存中的数据和主内存数据的一致。特别是多线程情况下,如果两个线程同时从CPU缓存中读取的值i为1,二者同时对i+1,然后写回主内存,那么i的值回变为2,但实际上i进行了2次+1的操作,实际值应该是3。这就是CPU缓存不一致导致的问题。


    解决办法:

    1.总线加锁,由于CPU和其他组件都是通过总线(数据总线,控制总线,地址总线)来通信,不过如果采用总线加锁的方式,就只能有一个CPU能够获取到总线锁,从而访问到内存中的变量,而其他的CPU都会被阻塞。这就类似于读写都串行化了,对效率的影响会很大。

    2.缓存一致性协议,在缓存一致性协议中,最出名的就是Intel的MESI协议,MESI的大致思想是,当CPU操作的变量是一个共享变量时,说明其他的CPU缓存中也可能会存在副本,那么这时候对该共享变量的读操作不做限制,照常读取数据,只是在写入的时候,会发出信号告诉其他的CPU将这个变量的Cache line设置为无效状态,那么其他的CPU在对该变量做读取时,由于缓存中的该变量已经失效,那么就会重新到主内存中读取。

    五.cpu的乱序执行   

    指令重排序问题(指令优化)

     CPU层面如何禁止重排序?

     

    jvm层面如何禁止重排序?

    四屏障8原则

     

    中断

    硬中断过程

     

    软中断过程

     

    1000个文件描述符哪里来的?

    1000个客户端通过绑定服务端的ip 端口和服务器连接,这1000个连接被服务期记录,形成1000个文件描述符,select轮询这1000个文件描述符,看那个通道有消息,把有消息的链接返给进程(例如redis)redis开始执行

    https://segmentfault.com/a/1190000021985202icon-default.png?t=M1L8https://segmentfault.com/a/1190000021985202

     算法作用

     

    展开全文
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