深入浅出计算机组成原理
徐文浩
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入门篇 (5讲)
开篇词 | 为什么你需要学习计算机组成原理?
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01 | 冯·诺依曼体系结构:计算机组成的金字塔
02 | 给你一张知识地图,计算机组成原理应该这么学
03 | 通过你的CPU主频,我们来谈谈“性能”究竟是什么?
04 | 穿越功耗墙,我们该从哪些方面提升“性能”?
原理篇:指令和运算 (12讲)
05 | 计算机指令:让我们试试用纸带编程
06 | 指令跳转:原来if...else就是goto
07 | 函数调用:为什么会发生stack overflow?
08 | ELF和静态链接:为什么程序无法同时在Linux和Windows下运行?
09 | 程序装载:“640K内存”真的不够用么?
10 | 动态链接:程序内部的“共享单车”
11 | 二进制编码:“手持两把锟斤拷,口中疾呼烫烫烫”?
12 | 理解电路:从电报机到门电路,我们如何做到“千里传信”?
13 | 加法器:如何像搭乐高一样搭电路(上)?
14 | 乘法器:如何像搭乐高一样搭电路(下)?
15 | 浮点数和定点数(上):怎么用有限的Bit表示尽可能多的信息?
16 | 浮点数和定点数(下):深入理解浮点数到底有什么用?
原理篇:处理器 (18讲)
17 | 建立数据通路(上):指令+运算=CPU
18 | 建立数据通路(中):指令+运算=CPU
19 | 建立数据通路(下):指令+运算=CPU
20 | 面向流水线的指令设计(上):一心多用的现代CPU
21 | 面向流水线的指令设计(下):奔腾4是怎么失败的?
22 | 冒险和预测(一):hazard是“危”也是“机”
23 | 冒险和预测(二):流水线里的接力赛
24 | 冒险和预测(三):CPU里的“线程池”
25 | 冒险和预测(四):今天下雨了,明天还会下雨么?
26 | Superscalar和VLIW:如何让CPU的吞吐率超过1?
27 | SIMD:如何加速矩阵乘法?
28 | 异常和中断:程序出错了怎么办?
29 | CISC和RISC:为什么手机芯片都是ARM?
30 | GPU(上):为什么玩游戏需要使用GPU?
31 | GPU(下):为什么深度学习需要使用GPU?
32 | FPGA和ASIC:计算机体系结构的黄金时代
33 | 解读TPU:设计和拆解一块ASIC芯片
34 | 理解虚拟机:你在云上拿到的计算机是什么样的?
原理篇:存储与I/O系统 (17讲)
35 | 存储器层次结构全景:数据存储的大金字塔长什么样?
36 | 局部性原理:数据库性能跟不上,加个缓存就好了?
37 | 高速缓存(上):“4毫秒”究竟值多少钱?
38 | 高速缓存(下):你确定你的数据更新了么?
39 | MESI协议:如何让多核CPU的高速缓存保持一致?
40 | 理解内存(上):虚拟内存和内存保护是什么?
41 | 理解内存(下):解析TLB和内存保护
42 | 总线:计算机内部的高速公路
43 | 输入输出设备:我们并不是只能用灯泡显示“0”和“1”
44 | 理解IO_WAIT:I/O性能到底是怎么回事儿?
45 | 机械硬盘:Google早期用过的“黑科技”
46 | SSD硬盘(上):如何完成性能优化的KPI?
47 | SSD硬盘(下):如何完成性能优化的KPI?
48 | DMA:为什么Kafka这么快?
49 | 数据完整性(上):硬件坏了怎么办?
50 | 数据完整性(下):如何还原犯罪现场?
51 | 分布式计算:如果所有人的大脑都联网会怎样?
应用篇 (5讲)
52 | 设计大型DMP系统(上):MongoDB并不是什么灵丹妙药
53 | 设计大型DMP系统(下):SSD拯救了所有的DBA
54 | 理解Disruptor(上):带你体会CPU高速缓存的风驰电掣
55 | 理解Disruptor(下):不需要换挡和踩刹车的CPU,有多快?
结束语 | 知也无涯,愿你也享受发现的乐趣
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答疑与加餐 (5讲)
特别加餐 | 我在2019年F8大会的两日见闻录
FAQ第一期 | 学与不学,知识就在那里,不如就先学好了
用户故事 | 赵文海:怕什么真理无穷,进一寸有一寸的欢喜
FAQ第二期 | 世界上第一个编程语言是怎么来的?
特别加餐 | 我的一天怎么过?
深入浅出计算机组成原理
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08 | ELF和静态链接:为什么程序无法同时在Linux和Windows下运行?

徐文浩 2019-05-13
过去的三节,你和我一起通过一些简单的代码,看到了我们写的程序,是怎么变成一条条计算机指令的;if…else 这样的条件跳转是怎么样执行的;for/while 这样的循环是怎么执行的;函数间的相互调用是怎么发生的。
我记得以前,我自己在了解完这些知识之后,产生了一个非常大的疑问。那就是,既然我们的程序最终都被变成了一条条机器码去执行,那为什么同一个程序,在同一台计算机上,在 Linux 下可以运行,而在 Windows 下却不行呢?反过来,Windows 上的程序在 Linux 上也是一样不能执行的。可是我们的 CPU 并没有换掉,它应该可以识别同样的指令呀?
如果你和我有同样的疑问,那这一节,我们就一起来解开。

编译、链接和装载:拆解程序执行

第 5 节我们说过,写好的 C 语言代码,可以通过编译器编译成汇编代码,然后汇编代码再通过汇编器变成 CPU 可以理解的机器码,于是 CPU 就可以执行这些机器码了。你现在对这个过程应该不陌生了,但是这个描述把过程大大简化了。下面,我们一起具体来看,C 语言程序是如何变成一个可执行程序的。
不知道你注意到没有,过去几节,我们通过 gcc 生成的文件和 objdump 获取到的汇编指令都有些小小的问题。我们先把前面的 add 函数示例,拆分成两个文件 add_lib.c 和 link_example.c。
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精选留言(33)

  • 有米
    Java的跨平台运行是如何做到的呢?跟本节内容有关系吗?

    作者回复: Java是通过实现不同平台上的虚拟机,然后即时翻译javac生成的中间代码来做到跨平台的。跨平台的工作被虚拟机开发人员来解决了

    2019-05-13
    10
  • Geek_54edc1
    readelf -s link_example.o //查看符号表
    objdump -r link_example.o //查看重定位表
    2019-06-14
    9
  • 二星球
    老师好,就是没有操作系统,直接在硬件上运行的可执行程序,其格式应该不是pe或elf,应该是纯的机器指令吧,pe或elf格式的可执行程序是跟操作系统绑定的,经过翻译后成为纯机器指令,才能被执行,不知道这样理解对不。

    作者回复: 可以这样理解。实际机器启动加电的时候是从BIOS去读取MBR,再加载操作系统等等。

    PE和ELF是在操作系统加载之后的事情了。

    2019-05-18
    7
  • Spring
    补充一下:
    ELF其实是一种文件格式的标准,ELF文件有三类:可重定向文件、可执行文件、共享目标文件。代码经过预处理、编译、汇编后形成可重定向文件,可重定向文件经过链接后生成可执行文件。
    另外我想请教一下,机器码是在哪一步形成的?

    作者回复: 简单地说,可以认为是在汇编之后变成了机器码放在了elf的代码段里。

    2019-05-13
    7
  • 陆离
    高级语言都是先编译成汇编语言,再汇编成机器码执行的吗?

    作者回复: 如果是编译型的语言都是这样的。

    也有通过解释器,或者虚拟机,转换成实际的机器码指令执行的。

    2019-05-23
    5
  • 一步
    老师,我曾经在linux上使用过wine,有好多window软件不能很好兼容的运行,这是为什么呢?是不是除了执行文件格式之外,还有其他的因素影响软件的运行呢?

    作者回复: 一步同学你好,当然,因为很多程序还依赖各种操作系统本身提供的动态链接库,系统调用等等。需要wine提供对应的实现,兼容格式只是万里长征第一步。

    2019-05-13
    4
  • 有铭
    所以理论上,只要不涉及到windows和linux的系统api调用,理论上只要搞定了可执行文件格式这个问题,那么C程序就是二进制可移植的?

    作者回复: 除了系统调用,还要考虑是否有动态链接库的依赖等等

    2019-05-13
    3
  • kdb_reboot
    这里(gcc -g -c add_lib.c link_example.c)需要extern int addd(int a, int b);

    作者回复: 没错,不过其实你不加入对应的申明编译和运行也是能执行的,但是会有编译器的告警。

    2019-05-26
    2
  • 二星球
    老师好,我有个问题,就是我可以用编程语言写一个不依赖操作系统的可执行程序,这个可执行程序不是pe格式,也不是elf的,那为什能执行呢,是不是因为这个可执行程序全是纯的cpu指令,没有其他要解析的东西?

    作者回复: 如果不是pe格式也不是elf格式,就不能执行啊。能执行是因为实际执行的不是你的程序。比如你写了一段python代码,实际执行的是python解释器,而不是你的py代码

    2019-05-13
    2
  • 曾经瘦过
    mark 后面去读一读 程序员的自我修养

    作者回复: 👍这本书对于做系统开发的同学是必读书目之一。

    2019-05-13
    2
  • Only now
    mark
    本章内容确实在链接装载与库里有更详尽的说明。

    作者回复: 👍程序员的自我修养是一本好书。这个专栏的主题是组成原理,希望能带大家入个门。更深入地要去再花时间看书哦

    2019-05-13
    2
  • 闫循鸣
    整个elf文件都加载到内存吗,还是只加载一部分?

    作者回复: 闫循鸣同学你好,关于这一部分,可以看下一讲的程序加载

    2019-05-13
    1
  • 一步
    老师问一下Mac系统的可执行文件格式是什么,也是ELF吗?还是mac自己有自己一套?
    2019-05-13
    1
    1
  • lzhao
    上周五还在思考这个问题?这答案说来就来,及时雨宋江

    作者回复: 👍希望对大家有所帮助

    2019-05-13
    1
  • 陈志恒
    第一次接触跨平台这个词是来自于java,但是会造成错误的认识:带java虚拟机的才是跨平台的必备条件。这其中犯了一个局部与整体的错误,井底之蛙说的就是我!跨平台并不属于语言的特性,而是需要从这个计算机体系的角度全面的理解
    2019-11-28
  • _stuView
    链接器的图里少了一条从add_lib.o的.rel.text Section指向符号解析与重定位的线吧
    2019-11-09
  • 拯救地球好累
    ---总结---
    编译型语言的执行过程:编译-汇编-链接-装载
    同一个程序在同一台计算机上的Linux和Win中不能兼容运行的原因:可执行文件和目标文件格式的不同
    ELF文件的组成:文件头&代码段&数据段&重定位表&符号表
    2019-10-20
  • 盗马将
    老师,我非科班出身,现在正在看汇编,像上面的汇编片段,我知道汇编指令,但是汇编指令之前的是什么东西,6b1: 48 89 e5 mov rbp,中的6b1: 48 89 e5大概是干什么用的,汇编刚刚开始学,像JVM等编译的字节码都有这些东西。只希望可以看懂这些是干什么用的。谢谢老师

    作者回复: 盗马将同学,你好

    6b1你可以认为是一个行号,也就是这条指令的内存地址
    48 89 e5 是指这条指令的二进制表示,用16进制的方式书写出来。毕竟写一堆0和1太占地方了。

    2019-10-03
    1
  • 老师请问下,为什么visua studio里面除了静态库以外还有动态库,以及需要指定额外依赖等?

    作者回复: 袭同学你好,

    这个看到后面的程序装载和动态链接部分应该就明白了。

    2019-08-16
  • skye
    老师,嵌入式开发都需要交叉编译,这个是因为CPU的指令集差异,现在什么方法屏蔽这个差异,实现不交叉编译也能实现程序在嵌入式设备上的运行吗?

    作者回复: skye同学,

    你好,据我所知是没有。这个硬件上的指令集差异避不开啊。

    2019-08-13
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