一、CPU如何執行程序？

提綱

• 圖靈機工作方式
• 馮諾依曼模型
• 線路位寬CPU位寬
• 程序執行基本過程
• 執行具體過程

1. 圖靈機工作方式

圖靈機可以視作“一臺帶規則的自動草稿機”

圖靈機基本組成：

• 紙帶（內存）：連續格子組成，每個格子寫入字符，紙帶好比內存，格子上的字符好比內存中的程序與數據；

• 讀寫頭：一支筆，能讀格子、改符號、左右移動。

• 狀態表：一本規則手冊，

• 控制器：負責對照規則表，自動執行上面操作。

• 工作過程：循環 “看→改→移→換狀態”
  從 初始狀態 開始，重復以下步驟：

• ① 讀：讀寫頭看當前格子的符號（比如 1）；

• ② 查規則：根據當前狀態和符號，查狀態表，得到三個指令（改什么符號、往哪移、變啥狀態）；

• ③
  改 + 移：按指令改符號、移動讀寫頭； ④ 換狀態：切換到新狀態，回到步驟①，直到碰到 終止狀態 停下。

總的來說，圖靈機計算1+2的過程。圖靈機的主要功能就是讀取紙帶格子中的內容，交給控制單元識別字符是數字還是運算符，如果是數字存入狀態器，如果是運算符，則通知運算符單元讀取狀態中的數值進行計算，計算結果最終返回給讀寫頭，讀寫頭將結果寫入到紙袋的格子中。

2.馮諾依曼模型

1945年馮諾依曼遵循圖靈機設計，提出用電子元件構建計算機，并約定二進制進行計算和存儲。

馮諾依曼計算機基本結構有5個重要部分，運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備。

運算器、控制器是在中央處理器中，存儲器就是內存，輸入輸出都是計算機外設，比如鼠標鍵盤是輸入設備，顯示器是輸出設備。

內存

計算機的程序和數據都存儲在內存中，存儲基本單位是字節（byte），1字節等于8位（8 bit）。每個字節對應一個內存地址。

存儲區域線性，指內存地址從0開始編號，自增排序，類似數組，最后一個地址為內存總字節數-1，因此內存讀寫任何一個數據的速度是一樣的。

中央處理器

中央處理器即CPU，32位CPU和64位CPU區別在于一次能計算多少字節數據：

• 32位CPU一次可以計算4字節；
• 64位CPU一次可以計算8字節；
  32 位和 64 位，通常稱為 CPU 的位寬，代表的是 CPU 一次可以計算（運算）的數據量。

32 位和 64 位，通常稱為 CPU 的位寬，代表的是 CPU 一次可以計算（運算）的數據量。如果是 8 位的 CPU，那么一次只能計算 1 個字節（0-255）范圍內的數值，這樣就無法完成一次10000 * 500

總線

輸入輸出

Linux內核 vs Windows內核

內核

內核是什么？[應用與硬件設備交互的中間橋梁]

計算機由外部硬件設備構成，CPU、內存、硬盤等，如果每個應用都要和這些硬件對接通信協議就太麻煩！所以需要一個“中間人”，統一對接應用和計算機硬件。內核就是應用連接硬件設備的橋梁，應用只關心如何與內核交互，不用關心硬件細節！

內核有什么能力？

• 進程調度：
  • 管理進程線程，決定哪個進程線程用CPU；
• 內存管理：
  • 管理內存，決定內存分配與回收；
• 硬件通信：
  • 管理硬件設備，為進程與硬件設備之間提供通信功能；
• 系統調用：
  • 提供系統調用，如果應用程序需要運行更高權限的服務，就需要用到系統調用，是用戶程序與操作系統之間的接口；

內核如何工作？

內核權限高，可以直接控制CPU、內存、硬盤等硬件設備，而應用程序權限很小，因此操作系統把內存分為兩個區域：

• 內核空間：這個內存空間只有內核程序可以訪問。
• 用戶空間：這個內存空間專門給應用程序使用；

內核空間的代碼可以訪問所有內存空間，用戶空間的代碼只能訪問一個局部的內存空間。

因此，當程序使用用戶空間的時候，我們稱該程序在用戶態執行；程序使用內核空間時，程序在內核態運行。

應用程序如果需要進入內核空間，就需要系統調用實現：

系統調用與中斷：
正常情況下，內核程序執行在內核態，用戶程序執行在用戶態。當應用程序使用系統調用時，會產生一個中斷，發送中斷后，CPU會中斷當前執行中的用戶程序，轉而跳轉到中斷處理程序，也就是開始執行內核程序，內核程序處理完畢后，主動觸發中斷，把CPU執行權限交回用戶程序，回到用戶態繼續工作。

Linux的設計

Linux誕生于1991年，芬蘭小伙子C語言實現。

Linux設計理念：

• MultiTask，多任務；
• SMP，對稱多處理；
• ELF，可執行文件鏈接格式；
• Monolithic Kernel，宏內核；

MultiTask

Linux是個多任務操作系統，可以有多個任務同時（并發 / 并行）進行。

• 并發：單核CPU，輪流處理多個任務，每個任務處理一段時間就切換執行另一個任務，宏觀上同時處理多個任務；
• 并行：多核CPU，多個CPU核心真正同時處理多個任務；

SMP

Linux具有對稱多處理特性，代表每個CPU地位相等，具體的：

• 資源使用權限相同；
• 多CPU共享同個內存；
• 每個CPU都可以訪問完整的內存和硬件資源；

不存在Linux某個程序單獨服務某個應用或者內核程序，每個程序都可以被分配到任意一個CPU執行。

ELF

ELF（Executable and Linkable Format，可執行與可鏈接格式）是 Linux 系統中最常用的二進制文件格式，簡單說，它就像一個 “統一的包裝盒”，能裝下程序編譯、鏈接、運行過程中需要的各種二進制數據（比如代碼、數據、符號等），并且讓系統和工具（編譯器、鏈接器、操作系統）能 “看懂” 里面的內容。

它的核心特性可以通俗理解為：

1. “一包多用” 的通用性

• 同一個格式能裝多種類型的文件：比如編譯中間產生的目標文件（.o）、最終能直接運行的可執行文件、共享庫（.so，類似 Windows 的.dll），甚至程序崩潰時的核心轉儲文件（core dump）。不用為不同類型的二進制文件設計多種格式，簡化了系統處理邏輯。

2. “結構化打包” 的靈活性

ELF 文件內部像 “分層抽屜”：

• 最外層有個 “標簽頁”（ELF頭部），記錄文件類型（是可執行文件還是庫）、適配的 CPU 架構（x86/ARM 等）、入口地址（程序從哪開始跑）等關鍵信息。
• 里面的內容按 “用途” 分區域放：比如
  “代碼區”（.text，存程序指令）、“數據區”（.data，存初始化的變量）、“符號表”（.symtab，存函數 /
  變量的名字和地址）等。 這些區域在 “打包”（鏈接階段）時按 “節（Section）” 劃分，在 “拆包運行”（加載到內存）時按
  “段（Segment）” 劃分，既方便編譯器鏈接，又方便操作系統加載到內存。

3. “跨設備兼容” 與 “可擴展”
   它不挑 CPU 架構，只要在 “標簽頁” 里注明適配的架構（比如 x86 或 ARM），不同設備都能識別。而且如果以后有新需求（比如加新類型的數據），可以在 “抽屜” 里加新的區域，不影響原有結構，擴展性很強。
4. “按需加載” 的動態鏈接支持
   比如我們寫程序時用了系統庫（如 printf 函數），ELF 能讓程序不把庫代碼 “打包”
   進自己的文件里，而是在運行時通過 “動態鏈接器”（類似 “快遞員”）臨時加載系統里的共享庫（.so）。這樣既節省內存（多個程序共用一個庫），又方便庫更新（改庫不用重新編譯所有程序）。
5. “清晰的符號管理” 程序里的函數名、變量名（比如 “add 函數”“count 變量”），在 ELF 里會被記錄在 “符號表” 中，像 “通訊錄” 一樣，告訴編譯器 / 鏈接器 “這個名字對應哪個地址”，確保程序運行時能正確找到要用的函數或變量。

總之，ELF 的核心是 “統一、靈活、兼容”，讓 Linux 系統里的二進制文件從編譯到運行的全流程都能被高效處理，是 Linux 程序能正常工作的 “幕后功臣”。

ELF 文件有兩種索引，Program header table 中記錄了運行時所需要的段，而Section header table 記錄了二進制文件中的各個段的首地址。

ELF如何生成？

我們編寫的代碼，首先通過編譯器編譯成匯編代碼，接著通過匯編器編程目標代碼，也就是目標文件，最后通過鏈接器把多個目標文件以及調用的各自函數庫鏈接起來，形成可執行文件即ELF。

ELF如何被執行呢？

執行ELF文件時，會通過裝載器把ELF文件裝載在內存中，CPU讀取內存中的指令和數據，程序就被執行起來了。

Monolithic Kernel

Monolithic Kernel 即宏內核，是操作系統內核一種經典架構：把操作系統所有核心功能（比如進程管理、內存分配、文件系統、設備驅動、中斷處理等）都打包在一個單一的內核程序里，并且認為它們都運行在最高權限的“內核態”。

宏內核的核心特征：

• “大一統”結構：不像微內核（Microkernel）那樣把功能拆成多個獨立模塊，宏內核里所有關鍵組件都 “擠” 在同一個內存空間里，彼此直接通信（比如函數調用），不需要復雜的跨進程交互。
• 效率優先：因為組件間通信直接，沒有額外的權限切換或消息傳遞開銷，所以性能通常比較高（比如進程調度、內存訪問更快）。
• 依賴內核態特權：所有核心功能都運行在 “內核態”（操作系統的最高權限模式），能直接訪問硬件資源，省去了用戶態與內核態切換的成本。

優缺點：

• 優點：性能好，響應快，適合對效率敏感的場景（比如服務器、桌面系統）。
• 缺點：內核體積大、結構復雜，修改或維護某個功能（比如加一個新設備驅動）可能需要重新編譯整個內核；而且一個組件出問題（比如驅動崩潰）可能導致整個內核崩潰。

與之相對的是微內核（Microkernel）
核心思路是極簡核心＋外部服務：
只把操作系統最底層、最必要的功能（進程調度、內存基礎管理、進程之間消息傳遞）放進內核態，其他功能（文件系統、設備驅動、網絡協議）都做成獨立的服務進程，跑在用戶態。

混合內核（Hybrid Kernel）
核心思路是“取兩者之長”：
保留微內核的精簡核心框架，但是把一些常用的關鍵服務（文件系統、設備驅動）挪到內核態，減少消息傳遞的開銷。

既不會像微內核那樣，所有非核心功能都在用戶態，可以避免性能損失。也不會像宏內核那樣所有功能都擠在核內，保證了一定模塊化。

• 優點：平衡了模塊化設計與性能需求；

Windows設計

當今Windows7/10使用的內核叫做Windows NT，全稱New Technology。

與Linux異同點：

• 相同：
  • 多任務
  • 對稱多處理
• 不同：
  • 混合型內核：
  • 可執行文件：PE，可移植執行文件

總結

內核架構：

• 宏內核：包含多個模塊，整個像一個完整的程序都運行在內核態。
• 微內核：有一個最小版本的內核只負責最重要的功能，一些模塊和服務則有用戶態管理。
• 混合內核：是宏內核和微內核的結合，內核中抽象出了微內核的概念，也就是內核中有一個小型的內核，其他模塊在這個基礎上搭建，整個內核就是個完整的程序。

Linux采用了宏內核設計，Windows采用了混合內核設計。

兩個操作系統的可執行文件是最大差異，Linux是ELF，Windows是PE.