【搞定操作系统】---《操作系统精髓与设计原理》读书笔记：第 1 章：计算机系统概述

你的名字 2022-03-25 12:12 330阅读 0赞

## **本文目录：** ##

**1、计算机的基本构成**

**2、指令的执行**

**3、中断**

**4、存储器的层次结构**

**5、针对 IO 操作的三种方式**

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# 1、计算机的基本构成 #

一台计算机的四个主要结构化部件如下所示：

> 1、**处理器**：控制计算机的操作，执行数据的处理功能；
> 
> 2、**内存**：存储数据和程序，此类存储器通常是易失性的，即当计算机关机时，存储器的内容会丢失；
> 
> 3、**输入/输出模块**：在计算机和外部环境（如：硬盘、通信设备等）之间移动数据；
> 
> 4、**系统总线**：为处理器、内存和输入/输出模块间提供通信的设施。

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# 2、指令的执行 #

处理器执行的程序是由一组保存在存储器中的指令组成的。按照最简单的形式，指令处理包括两个步骤：处理器从存储器中一次读（取）一条指令，然后执行每条指令。

程序执行由不断重复的取指令和执行指令过程组成。

一个单一的指令需要的处理称为一个指令周期。

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# 3、中断 #

事实上，所有计算机都提供了允许其他模块（IO，存储器）中断处理器正常处理过程的机制。

**当外部设备做好服务的准备时（即当它准备好从处理器接受更多的数据时），该外部设备的 IO 模块给处理器发送一个中断请求信号。这时处理器会做响应，暂停当前程序的处理，专门去处理服务于特定 IO 设备的程序，这个程序成为中断处理程序。在对该设备的服务响应完成后，处理器恢复原先的执行任务。**

保存被中断程序的所有状态信息并在以后恢复这些信息，这是十分重要的。因为中断并不是程序调用的一个例程，它可以再任何时候发生，因而可以再用户程序执行过程中的任何一点上发生，它的发生是不可预测的。

多个中断时，第一种方法是当正在处理一个中断时，禁止再发生中断；第二种方法是定义中断优先级，允许高优先级的中断打断低优先级的中断。

为适应中断产生的情况，在指令周期中要增加一个中断阶段：

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# 4、存储器的层次结构 #

设计目标：多大的容量？多快的速度？多贵的价格

存储器从上至下的层次结构：**寄存器 --> 高速缓存 --> 内存 --> 磁盘 --> 磁带**

**高速缓存：处理器执行指令的速度显然受到存储周期（从存储器中读一个字或写一个字到存储器中花费的时间）的限制，解决方法是利用局部性原理，即在处理器和内存之间提供一个容量小但速度快的存储器，成为高速缓存。**

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*  **高速缓存读操作 **

处理器生成要读的字的地址 RA，如果这个字在高速缓存中，它将被传递给处理器；否则，包含这个字的块将被装入高速缓存，然后这个字被传递给处理器。

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# 5、针对 IO 操作的三种方式： #

### 5.1、可编程 IO ###

处理器给相应 IO 模块发送命令，IO 模块执行请求的动作，它并不进一步通知处理器，尤其是它并不中断处理器。因此处理器在执行 IO 指令后，还要定期检查 IO 模块的状态，以确定 IO 操作是否完成；

### 5.2、中断驱动 IO ###

由处理器给 IO 模块发送 IO 命令，然后处理器继续做其他一些有用的工作。当 IO 模块准备好与处理器交换数据时，它将打断处理器的执行并请求服务。处理器和前面一样执行数据传送，然后恢复处理器以前的执行过程；

### 5.3、直接内存存取 ###

当处理器要读或写一块数据时，它给 DMA（Direct  Memory  Access） 模块产生一条命令，发送以下信息（是否请求一次读或写，涉及的 IO 设备的地址，开始读或写的存储器单元，需要读或写的字数），之后处理器继续其他工作。处理器把这个操作委托给 DMA 模块，由该模块负责处理。**DMA 模块直接与存储器交互，这个过程不需要处理器参与****。当传送完成后，DMA 模块发一个中断信号给处理器。因此只有在开始传送和传送结束时处理器才会参与。**

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# 6、多处理器和多核计算机组织结构 #

每条指令是以操作序列（取指，去操作数，执行操作，存储结果）的方式执行的。

三种最流行的通过复制处理器提供并行性的手段：对称多处理器，多核计算机，集群。

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下面的内容来自于《现代操作系统》一书中对“操作系统”的简单介绍：

多数计算机有两种运行模式：**内核态**和**用户态**。软件中最基本的部分是操作系统，它运行在内核态。

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操作系统由硬件进行保护，防止用户试图对其进行修改。操作系统和普通软件的主要区别：如果用户不喜欢某个特定的应用软件，用户可以重新写一个软件。但是不能自行写一个属于操作系统中的一部分的时钟中断处理程序。因为这个程序是由硬件保护，防止用户试图对它进行修改。

*  ### 什么是操作系统 ###

**操作系统就是一种运行在内核态的软件。**

操作系统的作用概括起来主要有两个方面的作用：

> 1、操作系统创建好的抽象，并且实现和管理它所创建的抽象对象。
> 
> 2、记录哪个程序在使用什么样的资源，对资源请求进行分配，评价使用代价，并且为不同的的程序和用户调解互相冲突的资源请求。

另外，对于操作系统的理解，从不同角度看的，有不同的定义：

> **自顶向下看：**操作系统为应用程序提供基本抽象，从而使应用程序在此基础上可以组合功能。
> 
> **自底向上看：**操作系统用来管理复杂系统的各个部分，对资源的请求进行分配，调节不同程序见相互冲突的资源请求。

**资源管理包括以下两种不同的复用方式实现多路复用共享资源：在时间上复用和在空间上复用。**

> **在时间上复用：**当一个资源在时间上复用时，不同的程序或用户轮流使用它。
> 
> **在空间上复用：**每个客户都得到资源的一部分，从而取代了客户排队。

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*  ### 操作系统的历史 ###

第一代：真空管和穿孔卡片

第二代：晶体管和批处理系统

第三代：小规模集成电路和多到程序设计

第四代：个人计算机（大规模集成电路）

第五代：移动计算机（手机、平板等）

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*  ### 计算机硬件简介 ###

**操作系统的作用：操作系统扩展了计算机指令集并且管理计算机资源。**

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*  ### 处理器 ###

**计算机的大脑是 CPU，它从内存中取出指令并且执行它**。**在每个 CPU 基本周期内，首先从内存中取出指令，解码以确定其类型和操作数，接着执行它，然后取指、解码并执行下一条指令。按照这一方式，程序被执行完成。**

所有的 CPU 内部都有一些用来**保存关键变量和临时数据的寄存器**。

对程序员可见的专用寄存器：

> **1、程序计数器：**它保存了将要取出的下一条指令的内存地址。
> 
> **2、堆栈指针：**它指向内存中当前堆栈的顶端，该栈包含了每一个执行过程的栈针。

CPU 取出指令执行的机制，是通过内部的取指单元、解码单元、执行单元三部分完成。为了提高效率。现在CPU通常可以同时取出多条指令。当 CPU 执行指令 n 时，它可以正在对指令 n+1 解码，并读取指令 n+2。这样，当执行完指令 n 后，无需等待，就可以直接执行 n+1，然后 n+2，这样的机制，称为**流水线**（pipeline）。

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