why 《系统级编程》？

通过操作系统（OS）课程我们明白了进程管理，同步互斥，虚拟内存管理，文件管理
但我们仍然不清楚进程化为进程映像后，程序究竟是如何执行的？
因此当程序运行出现问题时，很难准确定位错误

Some Question

1. What is Computer System?
   A computer system is a collection of hardware and software components that work together to run computer programs.
   （通过层次，抽象，转化得到以下层次）
   
2. 操作系统有两个主要目的：
   （1） 保护硬件不被失控的应用程序滥用;
   （2） 为应用程序提供简单和统一的机制，用于操作复杂和不同的低级硬件设备。
   
   文件是 I/O 设备的抽象。
   虚拟内存是主内存和磁盘 I/O 设备的抽象。
   进程是处理器、主内存和 I/O 设备的抽象。
3. What is Computer Program?
   Computer programs are instructions for a computer.

程序运行过程

1. 源代码

同时使用位信息和上下文表示
位信息 (information of bits) : 都是使用位表示信息
上下文 (context) ： 不同上下文同样的位信息可以是整型或者字符串

2. 编译（源代码 → 硬件可识别的机器码）

完成变量表

3. 执行（可执行程序→进程印像）

总线：就像我们人体中的血管，用于在部件之间来回传递信息。
通常设计为传输固定大小的字节块（称为word）。
传输的信息包括地址、数据和控制信号。

CPU(计算机的核心): 负责执行指令。
程序计数器（PC）将告诉下一次要执行的指令，ALU 将执行计算和逻辑操作。准备使用的说明和数据存储在寄存器中。
创建进程时，指令将由 CPU 逐个执行。

南桥：I/O系统间总线管理（离CPU远）
北桥：CPU，内存，图像处理器等离CPU近的总线管理（被集成到CPU里）
为什么需要 I/O 桥？I/O 总线通信的管理

进程

进程是运行程序的操作系统的抽象。
并发：多个进程可以在同一个系统上同时运行，并且每个进程似乎都有硬件的独占使用。不同流程的指令是交错执行的。
为了保持每个进程正常运行，系统将保持每个进程的状态。状态称为上下文。它包含 PC 的当前值、寄存器文件和主内存的内容。当操作系统决定将控制从当前进程转移到某个新进程时，它
通过保存当前进程的上下文、还原新进程的上下文，然后将控制权传递给新进程，执行上下文切换。

虚拟内存（进程印像）

在进程的帮助下，操作系统提供了一种错觉，认为程序是唯一在系统上运行的程序。
虚拟内存在提供错觉中起着重要的作用。每个进程具有相同的统一内存视图，称为其虚拟地址空间。（Linux 进程的虚拟地址空间如图所示。Windows 系统使用类似的布局。）请注意，图中的地址从底部增加到顶部。
红色矩形中的地址空间保留给__操作系统中的代码和数据__。
绿色矩形中的地址空间包含__用户进程定义的代码和数据__。您可以经常在图上讨论栈和堆。请注意，栈和堆朝相反的方向增长。这就是为什么在问题 1 中，定义变量 i 和数组的顺序将导致不同的性能。
蓝色矩形，这是我们使用函数访问 IO 设备的文件抽象的地方。
第3、7和10章将讨论详细内容。这些主题对于避免安全错误非常重要。