Lecture 1: Course Overview and Computer Organization¶
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1. Introduction¶
这门课是布朗大学的CSCI300课程，课程名为Fundamentals of Computer Systems，主要讲一些计算机系统领域的入门知识。这门课的内容可以概括为以下四个部分： 1. 计算机系统基础 2. 操作系统基础 3. 并发和并行计算 4. 分布式系统
2. 计算机的组成¶
Q：为什么要讲这些内容？ A：在现实世界中，处理器时间和内存是有开销的。像Facebook、谷歌或Airbnb这样的公司每年在其计算基础设施上花费数十亿美元，并不断购买更多的服务器。要想很好地利用它们，需要的不仅仅是快速的算法--内存中良好的数据组织可以使算法比糟糕的算法运行得更快，并节省大量的成本。为了理解为什么某些数据结构比其他结构更适合一项任务，我们需要研究计算机，特别是其内存是如何组织的。
从物理意义上来说，计算机就是由各种金属、塑料、玻璃、硅等材料组合而成的，这些材料本身没有所谓的“智能”，计算机能够帮助使用者实现各种各样的功能，是因为计算机中有大量的系统基础设施确保计算机能够正常地工作。本课程一个重要主题是更好地理解这种 "神奇 "的基础设施是如何工作的。
计算机中的核心组件主要有：
- CPU，包含一个或者多个处理器，可以执行程序
- Memory，内存，是计算机存储的一种形式，并且也是CPU中的处理器可以直接访问的唯一一种数据存储形式
- Devices，各种设备，比如硬盘和SSD，可以存储计算机中的数据，比如鼠标和键盘，方便与外界进行交互
我们重点要关注的是内存，一台计算机的内存就像一连串的邮箱，每个邮箱对应了一个0到255的数字，可以用8bit，也就是1byte来表示，如果一套计算机有M bytes的内存，那么按照上面的比喻就有M个邮箱，分别编号为0到M-1，这个编号就是邮箱的地址，我们在访问内存的时候，通过一个具体的地址来访问那个地址所对应的数据。
我们在程序中使用的所有变量和数据结构，以及在计算机上运行的所有代码，都需要存储在这些字节大小的内存中。如何使用内存，将对代码和数据的安全已经性能产生非常大的影响。
那么计算机如何表示更大的数字(超过255)呢？计算机通过将若干个相邻位置上的bytes解释为一个数字来实现，比如2个相邻的字节是一个short类型的值，4个相邻的字节是一个int类型的值。这样一来内存能表示的数字就远远不止0-255了。
3. 如何解释内存中的字节¶
内存是计算机中唯一可以存储信息的地方，内存中的信息以字节的形式存储。根据软件程序的需要，这些字节可以被解释为程序代码，数据(整数，字符串，图像等等)，或者元数据(Meta-data),了解复杂的程序如何归结为字节，将有助于调试程序，并理解它们的行为方式。 那么计算机是如何知道内存中的哪些字节是排在一起，可以一起被解释为某种数据的呢？答案是计算机并不知道，同一个字节可能意味着不同的东西，这取决于程序如何选择来解释这几个字节。 而计算机程序，实际上也是存放在内存中的字节，这时候，CPU会把代码对应的这些字节解释为机器码。
这里课程一个例子展示了C语言代码编译成.o文件后的机器码，具体如下：
addf.o: file format elf64-x86-64
Disassembly of section .text:
0000000000000000 :
0: 8d 04 37 lea (%rdi,%rsi,1),%eax
3: c3 retq
^ ^
| bytes in file | their human-readable meaning
| in hexadecimal | (not stored in the file; objdump generated this)
| notation
addf.c里面的函数被编译成了addf.o文件，这个二进制文件就包含了四个byte，分别是8d 04 37 c3，当这个函数被运行起来的时候，这些字节会被存放在内存的某处，处理器(即一块芯片)会读取这些字节并将其解释为下一步要做的指令。
4. 指针¶
内存中的这些box不仅可以存储数据，也可以存储其他box的地址，这样的box我们称之为指针，因为它指向了另一块内存。 C语言提供了&符号来获取任何变量的地址。如果你有一个变量local，写&local就可以得到存储local的内存盒的地址。我们可以定义指针让它们指向某个特定的地址，然后就可以通过这个指针来访问地址所对应的这段内存。指针本身需要占据8字节的内存，这8个字节就是用来存储地址的。 在定义指针的时候，旁边有星号的类型是指针类型。在使用指针的时候，&接收一个对象的地址并制作一个指针，*解除对一个指针的定义并跟随它到它在内存中所指的值。