1.4 处理器读并解释存储在存储器中的指令
在前面的章节中，已经将hello.c编译为了可执行文件hello。在Unix/Linux中，我们要在Shell中输入命令执行该文件。当然，现在有了GUI的存在我们要执行文件不再仅仅是通过Shell了。
$./hello在Shell中执行后，程序将会打印出hello, world。在这一小节中，将是介绍存储在磁盘中的可执行文件时如何被执行的。
1.4.1 系统的硬件组成
下图是Intel Pentium系统产品系列的模型图。一个典型系统的硬件一般都包含以下几个部分：处理器、主存、总线、I/O设备。
1. 总线
总线是贯穿整个系统的一组电子管道，负责携带信息在各个部件之间传递。总线通常被设计为传输一定的长度的字节块，该长度被称之为字长，即总线一次内能传输的字节个数。现在计算机的总线字长大多被设计为4个字节（32位）或8个字节（64位）。
2. I/O设备
I/O设备是连接计算机与外界的设备，如在图中的鼠标、键盘、显示器与磁盘。每个I/O设备通过控制器或者适配器（如网络适配器，即网卡）与I/O总线进行连接。控制器通常置于I/O设备本身或系统的主板之上，而适配器通常是可以插在主板扩展槽上的卡。
3. 主存
主存是在处理器执行程序的过程中，用来临时存放程序和程序处理的数据的一组由动态随机存取存储器（DRAM）芯片组成的设备。主存在逻辑上是一个从零开始的线性字节数组，每个字节拥有一个固定且唯一的地址。
4. 处理器
处理器通常被称之为CPU（Central Processing Unit，中央处理单元），是一个执行在主存中的指令的设备。处理器的核心是一个字长的寄存器，称为程序计数器（PC），它指向主存中某条指令的地址。在系统通电期间，处理器不断执行PC指向的指令，并更新PC使其指向下一条指令，但下一条指令不一定与当前指令的地址相邻（如jmp xxxx）。上述处理器的操作主要是围绕着主存、寄存器文件和算术/逻辑单元（ALU, Arithmetic/Logic Unit）进行的。寄存器文件是由拥有各自唯一名字的1字长的寄存器组成，用来临时存储数据，具有极快的读写速度（将在1.6中提及）。ALU负责计算新的数据和地址值。下述是CPU在执行指令时可能会执行的几种操作：
加载：从主存复制一个字节或一个字长的内容到寄存器，并覆盖原内容。
存储：与加载相反，从寄存器复制至主存
操作：将两个寄存器的内容复制至ALU，ALU对其进行算术运算后将结果存放到一个寄存器中。
跳转：将一个字的内容复制至PC中，即将其设为下一条执行的指令的地址。
1.4.2 运行hello程序
在运行hello程序的时，我们需要在Shell中输入./hello，Shell会将我们从键盘上输入的字符逐一读入寄存器中，之后再将其存放至主存中。
当我们输完命令敲下回车键后，代表着命令的输入已经结束，然后Shell会加载可执行文件hello，将hello中的指令与数据从磁盘复制至主存中。
当hello中的数据与指令已经被加载至主存中，处理器就将会开始执行hello程序的指令。指令执行的结果会将”hello, world\n”中的字节从主存中复制至寄存器中，再从寄存器复制至显示设备上。完成这一过程后，将可以在显示屏上看到hello, world（\n代表换行）。
1.5 高速缓存至关重要
在程序运行的过程中，需要花费大量的时间将信息在不同设备之间传输。根据机械原理，较大的设备运行速度要慢于较小的设备，但价格远低于较小的设备。例如典型的寄存器文件只能存储几百字节信息，而主存里可存放几十亿字节，但寄存器的数据读取速度比主存将近快100倍且差距持续增大（加快处理器运行速度比加快主存速度要经济且较容易）。
为了针对这种差异，系统设计者采用了较主存更小、更快的存储设备，即高速缓存存储器，用以临时存放处理器近期可能需要的信息。位于处理器芯片上的L1告诉缓存容量可以达到数万字节（例如i5-2450M的L1的大小是2*64KB），而访问速度接近寄存器文件的速度。
除L1高速缓存外，还有容量更大的L2高速缓存和L3高速缓存通过一条特殊的总线连接到处理器中（现在随着技术发展大多已集成在处理器芯片中）。L2与L3高速缓存虽然速度小于L1高速缓存，但仍然比直接访问主存快数倍。
高速缓存存储器是使用一种叫静态随机访问存储器（SRAM）的硬件技术实现的。在程序的运行过程中高速缓存存放了程序可能经常需要访问的数据，大大减少了信息读取过程中时间的消耗，提高了程序运行的速度。
1.6 存储设备形成层次结构
下图是不同存储设备之间的关系。在存储设备金字塔中，越靠近塔尖的设备运行速度越快，但其容量小于下层设备且价格更贵；相反，越靠近底端的设备容量大且价格较为便宜，但运行速度较慢。在计算机系统中，CPU中的寄存器文件位于金字塔最顶端，L1至L3高度缓存低于寄存器文件但高于主存，而本地磁盘和远程网络服务器的磁盘文件位于金字塔的最底端。
在一个较快的存储设备（如CPU寄存器）与一个较慢的存储设备（如主存）之间插入一个比后者更小但更快的设备（如L1-L3高速缓存）能有效得提高计算机系统的运行速度。
其它
文中内容主要源自深入理解计算机系统第二版，部分图片来自于该书中。
