C语言程序执行时的硬件操作流程

前面我们简单的介绍了一下计算机的硬件的组成和操作，现在我们正式介绍运行示例程序时发生了什么，我们会从宏观的角度进行描述，不会涉及到所有的技术细节

刚开始时，shell 程序执行它的指令，等待用户键入一个命令。当我们在键盘上输入了 ./hello 这几个字符时，shell 程序将字符逐一读入寄存器，再把它放到内存中，如下图所示

 

当我们在键盘上敲击回车键的时候，shell 程序就知道我们已经结束了命令的输入。然后 shell 执行一系列指令来加载可执行的 hello 文件，这些指令将目标文件中的代码和数据从磁盘复制到主存。

利用 DMA(Direct Memory Access) 技术可以直接将磁盘中的数据复制到内存中，如下

 

一旦目标文件中 hello 中的代码和数据被加载到主存，处理器就开始执行 hello 程序的 main 程序中的机器语言指令。这些指令将 hello,world 字符串中的字节从主存复制到寄存器文件，再从寄存器中复制到显示设备，最终显示在屏幕上。如下所示

高速缓存是关键

上面我们介绍完了一个 hello 程序的执行过程，系统花费了大量时间把信息从一个地方搬运到另外一个地方。hello 程序的机器指令最初存储在磁盘上。当程序加载后，它们会拷贝到主存中。当 CPU 开始运行时，指令又从内存复制到 CPU 中。同样的，字符串数据 hello,world 最初也是在磁盘上，它被复制到内存中，然后再到显示器设备输出。从程序员的角度来看，这种复制大部分是开销，这减慢了程序的工作效率。因此，对于系统设计来说，最主要的一个工作是让程序运行的越来越快。

由于物理定律，较大的存储设备要比较小的存储设备慢。而由于寄存器和内存的处理效率在越来越大，所以针对这种差异，系统设计者采用了更小更快的存储设备，称为高速缓存存储器(cache memory, 简称为 cache 高速缓存)，作为暂时的集结区域，存放近期可能会需要的信息。如下图所示

 

图中我们标出了高速缓存的位置，位于高速缓存中的 L1高速缓存容量可以达到数万字节，访问速度几乎和访问寄存器文件一样快。容量更大的 L2 高速缓存通过一条特殊的总线链接 CPU，虽然 L2 缓存比 L1 缓存慢 5 倍，但是仍比内存要快 5 - 10 倍。L1 和 L2 是使用一种静态随机访问存储器(SRAM) 的硬件技术实现的。最新的、处理器更强大的系统甚至有三级缓存：L1、L2 和 L3。系统可以获得一个很大的存储器，同时访问速度也更快，原因是利用了高速缓存的 局部性原理。