计算机系统原理之程序是怎么运行的

article/2025/9/29 22:46:54

计算机的组成

计算机是由硬件和软件组成的，这两个部分共同协作完成程序的运行。这两部分如何协作完成程序的运行，是本系列的重点。

信息的表示

信息的表示说到底就是位加上下文。举个小例子，比如11011101这一串二进制，在表示整数的时候它表示221，但是如果放在JAVA的class文件当中，它可能代表一个JVM的指令。

程序的编译

对于一个简单的C语言程序来说，一般要经过预处理器、编译器、汇编器和链接器的处理，才能被翻译成一段可执行的二进制文件。

比如对于一个简单的C语言程序，如下。

#include <stdio.h>
int main()
{
printf("hello,world\n");    
}

我们保存在hello.c当中，那么它的翻译过程如下。

程序的运行

程序的运行由解释器负责，它将逐个解释最终生成的二进制文件并执行。

计算机的硬件组成

首先，我们来看下计算机中硬件的大致分布，如下图。

其中有几个非常重要的部分，一一看下都是什么作用。

总线：贯穿整个系统的是一组电子管道（其实就是传输数据的线路），也就是总线。总线传送的是字，字的大小与系统相关，比如在32位操作系统当中，一个字是4个字节。

I/O设备：I/O设备是系统与外部联系的通道。I/O设备（键盘、鼠标、显示器等）由控制器（USB控制器）或者适配器（图形适配器，也就是显卡）与I/O总线相连，两者的区别在于一个是主板上的芯片组，一个是主板插槽上的卡。

主存：它是计算机中的一个临时存储设备，在处理器执行程序的时候，主存就是临时存放数据的地方。物理上来说，它是由动态随即存取存储器芯片组成，逻辑上来说，它是一组连续的字节数组，每一个字节都有唯一的地址。

处理器：全称中央处理单元，是解释存储在主存中指令的引擎。处理器的核心是一个程序计数器，它在整个计算机运行的期间都会指向一个主存中的一个内存地址，而地址当中则是一个计算机指令。处理器所做的，就是不停的执行程序计数器所指向的每一条指令。处理器所做的操作是围绕主存、寄存器文件以及算术/逻辑单元进行的，这里面处理器做的最多的动作就是加载（从主存将数据复制到寄存器）、存储（从寄存器将数据复制到主存）、操作（将两个寄存器的内容复制到算术/逻辑单元进行操作，结果会再次复制到寄存器）以及跳转（改变程序计数器当中的内容）。

处理器当中提到的是指令集结构，不过实际当中指令集的实现是非常复杂的，这么做的目的是为了加速CPU的运算速度。我们可以这样去区分指令集机构以及微体系结构，指令集结构是指令集的抽象描述，而微体系结构则是这个抽象描述的某一个具体实现，类似于JAVA虚拟机与JAVA虚拟机实现的关系。

总结：计算机是由软件与硬件组成的，而硬件又包括了总线、I/O设备、主存以及处理器，其中信息是由位以及上下文表示的，而信息则是从I/O设备以位的形式通过总线进入主存，然后由处理器从主存将信息取出处理。

一个程序的执行，是经历了预处理器、编译器、汇编器以及链接器的处理之后，才最终成为可执行的文件。当程序成为可执行文件时就已经保存在了磁盘上，具体的执行过程在下一章再总结。

Hello world的执行

我们以linux系统为例，当我们执行一个简单的打印字符串的C程序时，我们需要在命令行输入./hello以及回车去执行该程序。在整个执行过程中，计算机主要做了三件事，或者说经历了三个阶段来完成程序的运行。

1、linux的外壳扫描用户输入的字符

当我们在键盘输入./hello时，linux的外壳程序（也就是命令行）会扫描我们输入的字符，将这些字符一一读入到寄存器当中，然后再一一放入主存。换句话说，./hello这几个字符是经过了CPU中的寄存器从而到达了主存。下面LZ将这一过程的图示画出来。