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码海探险先锋 2024-08-19 11:09:36

第一位牛人

世界级计算机大佬的传奇——Unix 之父 Ken Thompson。在上世纪 60 年代的一个夏天，Ken Thompson 的妻子要回娘家一个月。呆在贝尔实验室的他，竟然利用这极为孤独的一个月，开发出了 UNiplexed Information and Computing System（UNICS）——即 UNIX 的雏形，一个全新的操作系统。要知道，在当时 C 语言并没有诞生，从严格意义上说，他是用 B 语言和汇编语言在 PDP-7 的机器上完成的。

牛人的朋友也是牛人，他的朋友 Dennis Ritchie 也随之加入其中，共同创造了大名鼎鼎的 C 语言，并用 C 语言写出了 UNIX 和后来的类 UNIX 体系的几十种操作系统，也写出了对后世影响深远的第一版“Hello World”：

#include "stdio.h"
int main(int argc, char const *argv[])
{ 
    printf("Hello World!\n"); 
    return 0;
}

计算机硬件是无法直接运行这个 C 语言文本程序代码的，需要 C 语言编译器，把这个代码编译成具体硬件平台的二进制代码。再由具体操作系统建立进程，把这个二进制文件装进其进程的内存空间中，才能运行。

1. 程序编译过程

我们暂且不急着摸清操作系统所做的工作，先来研究一下编译过程和硬件执行程序的过程，约定使用 GCC 相关的工具链。那么使用命令：gcc HelloWorld.c -o HelloWorld 或者 gcc ./HelloWorld.c -o ./HelloWorld ，就可以编译这段代码。其实，GCC 只是完成编译工作的驱动程序，它会根据编译流程分别调用预处理程序、编译程序、汇编程序、链接程序来完成具体工作。下图就是编译这段代码的过程：

ios universal links niginx配置 0002610_汇编程序

我们也可以手动控制以上这个编译流程，从而留下中间文件方便研究：

1. gcc HelloWorld.c -E -o HelloWorld.i

预处理：加入头文件，替换宏。

2. gcc HelloWorld.c -S -c HelloWorld.s

编译：包含预处理，将 C 程序转换成汇编程序。

3. gcc HelloWorld.c -c HelloWorld.o

汇编：包含预处理和编译，将汇编程序转换成可链接的二进制程序。

4. gcc HelloWorld.c -o HelloWorld

链接：包含以上所有操作，将可链接的二进制程序和其它别的库链接在一起，形成可执行的程序文件。

2. 程序装载执行

对运行内容有了了解后，我们开始程序的装载执行。我们将请出第三位牛人——大名鼎鼎的阿兰·图灵。在他的众多贡献中，很重要的一个就是提出了一种理想中的机器：图灵机。

图灵机是一个抽象的模型，它是这样的：有一条无限长的纸带，纸带上有无限个小格子，小格子中写有相关的信息，纸带上有一个读头，读头能根据纸带小格子里的信息做相关的操作并能来回移动。文字叙述还不够形象，我们来画一幅插图：

ios universal links niginx配置 0002610_汇编程序_02

不理解？下面我再带你用图灵机执行一下“1+1=2”的计算，你就明白了。我们定义读头读到“+”之后，就依次移动读头两次并读取格子中的数据，最后读头计算把结果写入第二个数据的下一个格子里，整个过程如下图：

ios universal links niginx配置 0002610_预处理_03

图灵机计算过程演示这个理想的模型是好，但是理想终归是理想，想要成为现实，我们得想其它办法。

于是，第四位牛人来了，他提出了电子计算机使用二进制数制系统和储存程序，并按照程序顺序执行，他叫冯诺依曼，他的电子计算机理论叫冯诺依曼体系结构。根据冯诺依曼体系结构构成的计算机，

必须具有如下功能：

1. 把程序和数据装入到计算机中；

2. 必须具有长期记住程序、数据的中间结果及最终运算结果；

3. 完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理；

4. 根据需要控制程序走向，并能根据指令控制机器的各部件协调操作；

5. 能够按照要求将处理的数据结果显示给用户。

为了完成上述的功能，计算机必须具备五大基本组成部件：

1. 装载数据和程序的输入设备；

2. 记住程序和数据的存储器；

3. 完成数据加工处理的运算器；

4. 控制程序执行的控制器；

5. 显示处理结果的输出设备。

根据冯诺依曼的理论，我们只要把图灵机的几个部件换成电子设备，就可以变成一个最小核心的电子计算机，如下图：是不是非常简单？

ios universal links niginx配置 0002610_预处理_04

这次我们发现读头不再来回移动了，而是靠地址总线寻找对应的“纸带格子”。读取写入数据由数据总线完成，而动作的控制就是控制总线的职责了。

3. 更形象地将 HelloWorld 程序装入原型计算机

下面，我们尝试将 HelloWorld 程序装入这个原型计算机，在装入之前，我们先要搞清楚 HelloWorld 程序中有什么。我们可以通过 gcc -c -S HelloWorld 得到（只能得到其汇编代码，而不能得到二进制数据）。我们用 objdump -d HelloWorld 程序，得到 /lesson01/HelloWorld.dump，其中有很多库代码（只需关注 main 函数相关的代码），如下图：

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