İyi bir programcı olmak için donanım düzeyinde neler olduğunu anlamak gerekli midir?

Kendi kendine öğretilen bir programcıyım, bu sorunun CS 101'de cevaplanması durumunda. Çoğu zaman kendi kişisel kullanımım için, bazen de profesyonel şeyler için birçok dil öğrendim.

Sorun programlama ile karşılaştığımda hep aynı duvarla karşılaşıyorum. Örneğin, başka bir forumda, bir fonksiyon tarafından döndürülen bir pointer-to-string'in nasıl kullanılacağı hakkında bir soru sordum. Başlangıçta, C ++ tasarımcılarının durumu ele almak için kurdukları doğru tekniği bilmediğimi düşünüyorum. Ancak aşağıdaki cevap ve tartışmalardan, bir şey 'iade edildiğinde' ne olduğunu gerçekten anlamadığımı görüyorum.

İyi bir programcının programlama sürecini ne kadar derinlemesine anlaması gerekir?

Hayır . Donanım düzeyinde neler olup bittiğini kimse anlamıyor.

Bilgisayar sistemleri soğan gibidir - birçok katman vardır ve her biri destek için altındaki katmana bağlıdır. Dış tabakalardan birinde çalışan adamsanız, soğanın ortasında ne olacağını çok fazla umursamamanız gerekir. Ve bu iyi bir şey, çünkü soğanın ortası daima değişiyor. Özel katmanınızı destekleyen katman veya katmanlar aynı görünmeye ve katmanınızı desteklemeye devam ettiği sürece, iyisinizdir.

Ama sonra tekrar...

Evet. Yani, soğanın içinde gerçekte neler olduğunu anlamanıza gerek yok , ancak tipik bir soğanın içinin nasıl göründüğünün zihinsel bir modeline sahip olmak çok yardımcı olur. Belki de en derin kısım, transistörlerden ve bunlardan oluşan kapılardan veya mikro kodunuz, saatten, talimat kod çözme birimlerinden vb. Sonraki katmandan veya ikiden oluşan kapıları. kayıtları, yığını ve yığını var. Bunlar, olanlar üzerinde çok fazla etkiye sahip olduğunuz en derin katmanlardır - derleyici, kodunuzu bu düzeyde çalışan yönergelere dönüştürür ve isterseniz, genellikle bu talimatların içinden geçip "gerçekten" neler olduğunu öğrenebilirsiniz.

Çoğu deneyimli programcı, bu katmanların başlarında biraz masal versiyonuna sahiptir. Size "geçersiz adres istisnası" veya "yığın taşması hatası" veya benzeri bir şey olduğunu söylerken derleyicinin neden bahsettiğini anlamanıza yardımcı olurlar.

İlgileniyorsanız, bilgisayar mimarisiyle ilgili bir kitap okuyun. Özellikle yeni bir kitap olması gerekmiyor - dijital bilgisayarlar uzun süredir aynı şekilde çalışıyorlar. Soğanın içi hakkında ne kadar çok şey öğrenirseniz, o kadar çok şeyin de işe yaraması o kadar şaşırtıcı olacaktır! Alt katmanlarda neler olup bittiğini öğrenmek (yaklaşık olarak) programlamayı hem daha az gizemli hem de bir şekilde daha büyülü yapar. Ve gerçekten, daha eğlenceli.

Bakabileceğiniz başka bir şey de gömülü soğanlardır. Er, gömülü sistemler demek istiyorum. Kullanımı oldukça kolay olan birçok gömülü platform var: Arduino ve BASIC Stamp iki örnektir. Bunlar temel olarak birçok dahili özelliğe sahip küçük mikroişlemcilerdir. Bunları tipik masaüstü PC'nizden daha az katmana sahip soğan olarak düşünebilirsiniz; bu nedenle, donanımdan yazılıma kadar tüm sistemde neler olup bittiğini tam olarak anlamak mümkündür.

Donanım seviyesi hakkında konuşmuyorsunuz, derleyicinin yapmasını söylediklerinizle gerçekten ne yaptığından bahsediyorsunuz.

Açıkçası neyin yanlış olduğunu anlamak için, özellikle de bir bellek durması durumuyla uğraşırken, neyin yanlış gittiğini anlamak için kesinlikle bu anlayış seviyesine ihtiyacınız var.

Program Hafızasını Anlamak! = Donanımı Anlamak

Bellek Hiyerarşisini Anlamak == Donanımı Anlamak

Genel sorunuza cevap vermek için: Bu değişir. Donanımı anlamaktan zarar gelmez, ancak bunu anlamak her durumda yardımcı olmaz.

Örneğinize göre, sadece bir program çalıştırırken belleğin nasıl bölündüğü ve nasıl organize edildiği hakkında daha fazla bilgi sahibi olmanız yeterlidir. Donanımı anlamak bu konuda size yardımcı olmaz, çünkü hafıza (bir program tarafından görülebilen) sanal belleğin sihri sayesinde donanımı bile gerçekten temsil etmez.

Belleğe erişim sırasını temel alan performans sorunlarını merak ediyorsanız, donanım, bellek heirarşi, önbellek özeti, sayfa hataları ve donanımdan gelen tüm görkemli harika iyiliği anlamaktan ŞİMDİ yararlanırsınız.

Eğer varsa do assembler biraz öğrenmeye karar, muhtemelen (tabii ki taklit) bir Commodore 64 6502 assembler gibi bir şey öğrenmek veya bir Amiga 68000 olmalıdır.

Commodore 64 hakkında bir fikir edinebilirsiniz ...

http://thepiratebay.org/torrent/4609238/Tag3-Saal2-Slot16_00--ID2874-the_ultimate_commodore_64_talk-Main

Bilmeniz gereken klasik kitap, burada açıklanan kitaptır.

http://reprog.wordpress.com/2010/03/12/programming-books-part-3-programming-the-commodore-64/

Etrafınıza bakarsanız muhtemelen bir PDF taraması bulabilirsiniz.

IMO, 6502, Z80'den ve 68000, 8086'dan daha kolaydır - daha düzenli komut setleri vb.

Ancak CPU, donanımın sadece bir yönüdür. Ayrıca, modern bir CPU muazzam derecede farklı bir canavardır ve sanal bir adres alanı sunmak gibi derleyiciler açısından bile şeffaf olan şeyler yapar.

6502'nin C64'teki özel bir avantajı yalnızca CPU'nun basit olması değil, aynı zamanda donanıma takılması da oldukça basit. SID müzik çipiyle oynamayı çok severdim.

Yani - çok fazla zaman harcamak yoksa muhtemelen değerli bir egzersiz. Commodore Basic'ten hemen sonra 14 yaşındayken ikinci dilim olarak 6502 assembler'ı öğrendim. Fakat çoğunlukla o kadar basit bir çalışma modeli elde ediyor ki, en az yanlış anlaşılma ile daha karmaşık fikirler ekleyebiliyorsunuz.

Assembler'da çalışmayı öğrenebileceğiniz bazı yararlı şeyler ...

• CPU kayıtları nasıl çalışır?
• Hafıza adresleme, dolaylı aktarma dahil olmak üzere nasıl çalışır?
• CPU yığını nasıl çalışır?
• Bitsel mantık nasıl çalışır?
• CPU, G / Ç cihazlarını nasıl kontrol eder.
• İş kesintileri nasıl yapılır?

Bunu tavsiye etmemin özel bir nedeni, basit adımların istihbarat veya sağduyu olmadan tamamen belirleyici, mekanik ve tamamen işleyiş şeklinin daha iyi anlaşılmasıdır. Temel olarak emir yürütme modeline en saf ve en inatçı cahil formunda alışmak.

Kesinlikle nasıl şimdi şeylerden en bilmektir yararlı olsa da, zor bir sorudur.

Öğrenmeyeceğiniz bir şey, bir hatıra hafızasıyla nasıl iyi oynayacağınızdır. Bu eski makineler çoğunlukla önbellek katmanı ve sanal bellek içermeyen basit bir bellek modeline sahipti. Aynı zamanda eşzamanlılık hakkında da pek bir şey öğrenemezsiniz - kesinlikle bununla baş etmenin yolu onlardı, ama bu çoğunlukla kesintiler anlamına geliyordu. Muteksler vb. İçin endişelenmenize gerek yoktu.

Bazen, bir zamanlar bu şeylerin nasıl çalıştığının ya da assembler'ın nasıl çalıştığının zihinsel bir modeli bile yanıltıcı olabilir. Örneğin, bir C işaretçisini bir adres olarak düşünmek tanımsız davranış sorunlarına yol açabilir. AC işaretçisi normalde bir adres içeren bir tamsayı olarak uygulanır, ancak bunun kesinlikle doğru olduğu garantisi yoktur. Örneğin, bazı tuhaf platformlarda, farklı işaretçiler farklı adres alanlarına işaret edebilir. İki işaretleyiciyle aritmetik veya bitsel mantık yapmak istediğinizde bu önemli hale gelir.

Bu tuhaf platformlardan birine sahip olmadığınız sürece, bunu umursamayacağınızı düşünebilirsiniz - ancak bu günlerde derleyicilerin optimizasyon için standartların tanımsız davranışlarından yararlanma olasılığı daha fazladır.

Dolayısıyla, sistem mimarisinin zihinsel bir modeli faydalı olabilir, ancak dilinizin ve platformunuzun saygı duymayacağı varsayımsal bir model için değil, dilin özelliklerine kodlama yapmak hala önemlidir.

Son olarak, birçok faydalı zihinsel model, derleyicilerin nasıl kod ürettiği hakkında bir fikir edinmekten kaynaklanır - ve modern diller için kod oluşturma, o zamanki oldukça önemsiz derleyicilerden çok farklıdır.

Bu benim için en sevdiğim kitap.

http://dickgrune.com/Books/MCD_1st_Edition/

Ayrıştırma ve AST'ler vb. İle ilgili şeylerin yanı sıra, bir dizi dil paradigması için - kodlama, OOP, fonksiyonel, mantık, paralel ve dağıtılmış - ve ayrıca bellek yönetimi için kod üretmeyi de kapsar. Polimorfik yöntemin nasıl çağırıldığını CPU komut seti ayrıntılarına boğmadan nasıl çalıştığını bilmek istiyorsanız, bunun gibi bir kitap arkadaşınızdır - ve yakında çıkacak yeni bir baskı var.

Yirmi yıl önce önemliydi, ama şimdi pek değil - yazılım ve modern donanım arasında çok daha fazla soyutlama katmanı var.

Birden fazla çekirdekten yararlanmak için birden fazla iş parçacığına ihtiyaç duymak ya da sistemde olduğundan daha fazla bellek kullanmanın kötü bir şey olduğunu bilmek faydalıdır, ancak bunun ötesinde, bu soyutlamayı yazmak sizin işiniz olmadıkça gerçekten ihtiyacınız olmaz. katmanlar.

Sorunuzun geri kalanı, derleyiciyle biraz daha farklı bir donanımdan daha fazla endişe duyabileceğinizi gösteriyor. Önemli olduğu durumlar ile karşılaşabilirsiniz, ancak bunlar ya önemsiz (sonsuz özyineleme pek işe yaramadı) ya da çözme konusunda iyi hissedebileceğiniz ancak muhtemelen aynı problemle karşılaşmayacağınız türden bir dava olma eğilimindedir. tekrar.

Bunu bilmek ve donanım tarafından sunulan soyutlama ve anlamak için çok yardımcı olur az şey o yanılsama yaratılır hakkında genel bir fikir - ama çalışırken gerçekten kadar modern donanım anlama gerçekten Kendisinden çalışmalarının çok büyük miktarda çalışır olduğunu sadece minimum getiri görmesi muhtemel.

Küçük bir sapkınlığı affederseniz: bu bana birkaç yıl önce kaydettiğim bir şeyi hatırlatıyor. Onlarca yıl önce (1970'lerin sonlarına kadar) çoğu insan, bilgisayarların büyülü bir adım eksik olduğunu düşündü - fizik yasalarından pek etkilenmedi, çok az anlam ifade eden her şeyi yapabilen şeyler. O zamanlar, insanları hayır olmadıklarına, sihir olmadıklarına ikna etmek için (çoğunlukla başarısız) bir hayli zaman harcadım. Sınırlı sayıda şeyi çok hızlı ve güvenilir bir şekilde yapan, ancak aşırı derecede sıradan olan , gerçekten oldukça sıradan makinelerdi .

Günümüzde çoğu insanın bilgisayar görüşü değişmiştir. Şimdi oldukça sıradanlar - çok az sayıda sıradan insanın onları pratik bir şekilde kavradığı noktaya. Mesela, bir süre önce ben yemek yerken, yeni bilgisayarında ne alacağını tartışırken aralarında bir garson ve garson gördüm / duydum. Verdiği tavsiye tamamen makul ve gerçekçiydi.

Bilgisayarlara bakış açım da değişti. Hot Chips'e gittim ve bundan önce Mikroişlemci Forumu 1990'ların ortalarına kadar devam ediyor. Muhtemelen mikroişlemci donanımı hakkında programcıların en az% 99'undan daha fazla şey biliyorum - ve ne yaptığımı bilerek şunu söyleyeceğim: onlar artık sıradan değiller . Onlar do fizik yasalarını kırmak neredeyse. Çok düşük seviyeli testler yaptım ve şunu kesin olarak söyleyebilirim: CPU tarafından yaratılan illüzyondan ve donanımın gerçekte nasıl çalıştığını gösterme seviyesine geçmek genellikle zor. Sadece düzgün ölçmek için hiçbir 4'ten daha az mantık analizörleri kabloların altında gömülü bir bilgisayar ile bizim kurulumları birinin bir fotoğraf göndermek isterdim birini önbelleğe alma işleminin modern bir CPU'da nasıl çalıştığı (ölçüldüğümüzün CPU'nun tam olarak ne yaptığını ve başka bir şey olmadığını garanti etmek için gerçekten titiz bir programlamadan bahsetmiyorum bile).

Farklı diller, donanımdan farklı soyutlama düzeylerinde çalışır. C ve C ++ çok düşük seviyelidir. Diğer taraftan, betik dilleri, altta yatan ayrıntı hakkında daha az şey bilmenizi gerektirir.

Bununla birlikte, her durumda, ne kadar çok bilirseniz, bir programcının da o kadar iyi olacağını söyleyeceğim. Programlamanın bir kısmı, aynı anda birden fazla soyutlama seviyesini dengeleyebiliyor.

C ++ ile programlama yapıyorsanız, en azından derleyicinin çalıştığı soyutlama düzeyinde modern bir işlemcinin nasıl çalıştığını iyi bilmeniz gerekir. (İşlemcinin içinde derleyiciye karşı saydam olan şeyler de var).

C gibi yüksek seviyeli dillerin genel tasarımı hakkında bir nokta eklemek istiyorum.

Genel olarak, bu tür dillerin soyut bir makinenin uygulanması olarak görülebildiğini söylemek güvenlidir ve aslında Dennis Ritchie'nin kendisinin C'nin nasıl çalıştığını ve C'nin soyut makinesinin özel tasarımının onu daha taşınabilir bir dil haline getirdiğini anlattı. Bazı bilgisayar mimarisi ve makine düzeyinde işleyişi anlama gibi, bir dilin soyut makinesini anlamada da son derece yardımcı olabilir.

DMR'nin makalesi C Programlarının Taşınabilirliği ve UNIX Sistemi , C için (soyut) makine modelini tartıştığım ilk hatırlıyorum.

DMR'nin C'nin tarihi ve gelişimi hakkındaki makalesinin, gerçek donanımın dil tasarımını nasıl etkilediğini göstermede de son derece yararlı olduğunu ve belki de erken programlama dili tasarımının bir örneği olduğunu düşünüyorum: C Dilinin Gelişimi