一、CPU如何执行程序？

提纲

• 图灵机工作方式
• 冯诺依曼模型
• 线路位宽CPU位宽
• 程序执行基本过程
• 执行具体过程

1. 图灵机工作方式

图灵机可以视作“一台带规则的自动草稿机”

图灵机基本组成：

• 纸带（内存）：连续格子组成，每个格子写入字符，纸带好比内存，格子上的字符好比内存中的程序与数据；

• 读写头：一支笔，能读格子、改符号、左右移动。

• 状态表：一本规则手册，

• 控制器：负责对照规则表，自动执行上面操作。

• 工作过程：循环 “看→改→移→换状态”
  从 初始状态 开始，重复以下步骤：

• ① 读：读写头看当前格子的符号（比如 1）；

• ② 查规则：根据当前状态和符号，查状态表，得到三个指令（改什么符号、往哪移、变啥状态）；

• ③
  改 + 移：按指令改符号、移动读写头； ④ 换状态：切换到新状态，回到步骤①，直到碰到 终止状态 停下。

总的来说，图灵机计算1+2的过程。图灵机的主要功能就是读取纸带格子中的内容，交给控制单元识别字符是数字还是运算符，如果是数字存入状态器，如果是运算符，则通知运算符单元读取状态中的数值进行计算，计算结果最终返回给读写头，读写头将结果写入到纸袋的格子中。

2.冯诺依曼模型

1945年冯诺依曼遵循图灵机设计，提出用电子元件构建计算机，并约定二进制进行计算和存储。

冯诺依曼计算机基本结构有5个重要部分，运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。

运算器、控制器是在中央处理器中，存储器就是内存，输入输出都是计算机外设，比如鼠标键盘是输入设备，显示器是输出设备。

内存

计算机的程序和数据都存储在内存中，存储基本单位是字节（byte），1字节等于8位（8 bit）。每个字节对应一个内存地址。

存储区域线性，指内存地址从0开始编号，自增排序，类似数组，最后一个地址为内存总字节数-1，因此内存读写任何一个数据的速度是一样的。

中央处理器

中央处理器即CPU，32位CPU和64位CPU区别在于一次能计算多少字节数据：

• 32位CPU一次可以计算4字节；
• 64位CPU一次可以计算8字节；
  32 位和 64 位，通常称为 CPU 的位宽，代表的是 CPU 一次可以计算（运算）的数据量。

32 位和 64 位，通常称为 CPU 的位宽，代表的是 CPU 一次可以计算（运算）的数据量。如果是 8 位的 CPU，那么一次只能计算 1 个字节（0-255）范围内的数值，这样就无法完成一次10000 * 500

总线

输入输出

Linux内核 vs Windows内核

内核

内核是什么？[应用与硬件设备交互的中间桥梁]

计算机由外部硬件设备构成，CPU、内存、硬盘等，如果每个应用都要和这些硬件对接通信协议就太麻烦！所以需要一个“中间人”，统一对接应用和计算机硬件。内核就是应用连接硬件设备的桥梁，应用只关心如何与内核交互，不用关心硬件细节！

内核有什么能力？

• 进程调度：
  • 管理进程线程，决定哪个进程线程用CPU；
• 内存管理：
  • 管理内存，决定内存分配与回收；
• 硬件通信：
  • 管理硬件设备，为进程与硬件设备之间提供通信功能；
• 系统调用：
  • 提供系统调用，如果应用程序需要运行更高权限的服务，就需要用到系统调用，是用户程序与操作系统之间的接口；

内核如何工作？

内核权限高，可以直接控制CPU、内存、硬盘等硬件设备，而应用程序权限很小，因此操作系统把内存分为两个区域：

• 内核空间：这个内存空间只有内核程序可以访问。
• 用户空间：这个内存空间专门给应用程序使用；

内核空间的代码可以访问所有内存空间，用户空间的代码只能访问一个局部的内存空间。

因此，当程序使用用户空间的时候，我们称该程序在用户态执行；程序使用内核空间时，程序在内核态运行。

应用程序如果需要进入内核空间，就需要系统调用实现：

系统调用与中断：
正常情况下，内核程序执行在内核态，用户程序执行在用户态。当应用程序使用系统调用时，会产生一个中断，发送中断后，CPU会中断当前执行中的用户程序，转而跳转到中断处理程序，也就是开始执行内核程序，内核程序处理完毕后，主动触发中断，把CPU执行权限交回用户程序，回到用户态继续工作。

Linux的设计

Linux诞生于1991年，芬兰小伙子C语言实现。

Linux设计理念：

• MultiTask，多任务；
• SMP，对称多处理；
• ELF，可执行文件链接格式；
• Monolithic Kernel，宏内核；

MultiTask

Linux是个多任务操作系统，可以有多个任务同时（并发 / 并行）进行。

• 并发：单核CPU，轮流处理多个任务，每个任务处理一段时间就切换执行另一个任务，宏观上同时处理多个任务；
• 并行：多核CPU，多个CPU核心真正同时处理多个任务；

SMP

Linux具有对称多处理特性，代表每个CPU地位相等，具体的：

• 资源使用权限相同；
• 多CPU共享同个内存；
• 每个CPU都可以访问完整的内存和硬件资源；

不存在Linux某个程序单独服务某个应用或者内核程序，每个程序都可以被分配到任意一个CPU执行。

ELF

ELF（Executable and Linkable Format，可执行与可链接格式）是 Linux 系统中最常用的二进制文件格式，简单说，它就像一个 “统一的包装盒”，能装下程序编译、链接、运行过程中需要的各种二进制数据（比如代码、数据、符号等），并且让系统和工具（编译器、链接器、操作系统）能 “看懂” 里面的内容。

它的核心特性可以通俗理解为：

1. “一包多用” 的通用性

• 同一个格式能装多种类型的文件：比如编译中间产生的目标文件（.o）、最终能直接运行的可执行文件、共享库（.so，类似 Windows 的.dll），甚至程序崩溃时的核心转储文件（core dump）。不用为不同类型的二进制文件设计多种格式，简化了系统处理逻辑。

2. “结构化打包” 的灵活性

ELF 文件内部像 “分层抽屉”：

• 最外层有个 “标签页”（ELF头部），记录文件类型（是可执行文件还是库）、适配的 CPU 架构（x86/ARM 等）、入口地址（程序从哪开始跑）等关键信息。
• 里面的内容按 “用途” 分区域放：比如
  “代码区”（.text，存程序指令）、“数据区”（.data，存初始化的变量）、“符号表”（.symtab，存函数 /
  变量的名字和地址）等。 这些区域在 “打包”（链接阶段）时按 “节（Section）” 划分，在 “拆包运行”（加载到内存）时按
  “段（Segment）” 划分，既方便编译器链接，又方便操作系统加载到内存。

3. “跨设备兼容” 与 “可扩展”
   它不挑 CPU 架构，只要在 “标签页” 里注明适配的架构（比如 x86 或 ARM），不同设备都能识别。而且如果以后有新需求（比如加新类型的数据），可以在 “抽屉” 里加新的区域，不影响原有结构，扩展性很强。
4. “按需加载” 的动态链接支持
   比如我们写程序时用了系统库（如 printf 函数），ELF 能让程序不把库代码 “打包”
   进自己的文件里，而是在运行时通过 “动态链接器”（类似 “快递员”）临时加载系统里的共享库（.so）。这样既节省内存（多个程序共用一个库），又方便库更新（改库不用重新编译所有程序）。
5. “清晰的符号管理” 程序里的函数名、变量名（比如 “add 函数”“count 变量”），在 ELF 里会被记录在 “符号表” 中，像 “通讯录” 一样，告诉编译器 / 链接器 “这个名字对应哪个地址”，确保程序运行时能正确找到要用的函数或变量。

总之，ELF 的核心是 “统一、灵活、兼容”，让 Linux 系统里的二进制文件从编译到运行的全流程都能被高效处理，是 Linux 程序能正常工作的 “幕后功臣”。

ELF 文件有两种索引，Program header table 中记录了运行时所需要的段，而Section header table 记录了二进制文件中的各个段的首地址。

ELF如何生成？

我们编写的代码，首先通过编译器编译成汇编代码，接着通过汇编器编程目标代码，也就是目标文件，最后通过链接器把多个目标文件以及调用的各自函数库链接起来，形成可执行文件即ELF。

ELF如何被执行呢？

执行ELF文件时，会通过装载器把ELF文件装载在内存中，CPU读取内存中的指令和数据，程序就被执行起来了。

Monolithic Kernel

Monolithic Kernel 即宏内核，是操作系统内核一种经典架构：把操作系统所有核心功能（比如进程管理、内存分配、文件系统、设备驱动、中断处理等）都打包在一个单一的内核程序里，并且认为它们都运行在最高权限的“内核态”。

宏内核的核心特征：

• “大一统”结构：不像微内核（Microkernel）那样把功能拆成多个独立模块，宏内核里所有关键组件都 “挤” 在同一个内存空间里，彼此直接通信（比如函数调用），不需要复杂的跨进程交互。
• 效率优先：因为组件间通信直接，没有额外的权限切换或消息传递开销，所以性能通常比较高（比如进程调度、内存访问更快）。
• 依赖内核态特权：所有核心功能都运行在 “内核态”（操作系统的最高权限模式），能直接访问硬件资源，省去了用户态与内核态切换的成本。

优缺点：

• 优点：性能好，响应快，适合对效率敏感的场景（比如服务器、桌面系统）。
• 缺点：内核体积大、结构复杂，修改或维护某个功能（比如加一个新设备驱动）可能需要重新编译整个内核；而且一个组件出问题（比如驱动崩溃）可能导致整个内核崩溃。

与之相对的是微内核（Microkernel）
核心思路是极简核心＋外部服务：
只把操作系统最底层、最必要的功能（进程调度、内存基础管理、进程之间消息传递）放进内核态，其他功能（文件系统、设备驱动、网络协议）都做成独立的服务进程，跑在用户态。

混合内核（Hybrid Kernel）
核心思路是“取两者之长”：
保留微内核的精简核心框架，但是把一些常用的关键服务（文件系统、设备驱动）挪到内核态，减少消息传递的开销。

既不会像微内核那样，所有非核心功能都在用户态，可以避免性能损失。也不会像宏内核那样所有功能都挤在核内，保证了一定模块化。

• 优点：平衡了模块化设计与性能需求；

Windows设计

当今Windows7/10使用的内核叫做Windows NT，全称New Technology。

与Linux异同点：

• 相同：
  • 多任务
  • 对称多处理
• 不同：
  • 混合型内核：
  • 可执行文件：PE，可移植执行文件

总结

内核架构：

• 宏内核：包含多个模块，整个像一个完整的程序都运行在内核态。
• 微内核：有一个最小版本的内核只负责最重要的功能，一些模块和服务则有用户态管理。
• 混合内核：是宏内核和微内核的结合，内核中抽象出了微内核的概念，也就是内核中有一个小型的内核，其他模块在这个基础上搭建，整个内核就是个完整的程序。

Linux采用了宏内核设计，Windows采用了混合内核设计。

两个操作系统的可执行文件是最大差异，Linux是ELF，Windows是PE.