操作系统笔记1——操作系统所依靠的计算机系统组成

本节讲操作系统所依靠的计算机系统组成，也即现代的冯·诺依曼结构计算机

基本构成

软硬件总构成

硬件构成

• cpu内部构成

微处理器

微处理器

一个芯片上容纳一个处理器内核

多核微处理器

一个芯片上容纳多个处理器内核，共享执行单元

• 双核、四核、八核、etc.
• 每个核还可以配多个硬件线程——逻辑处理器

片上系统

• CPU、高速缓存以及系统中的多数硬件都在同一芯片上
• 满足便携式设备的需求（如现代智能手机）

计算机如何执行指令

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
• 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。

基本指令周期

• 每个指令周期开始时处理器从存储器取下一条指令（一般而言程序计数器PC存储着下一次取的指令地址）
• 取到的指令存储于指令寄存器(IR)中
• 指令大体分为四种：
  • 处理器<–>存储器
  • 处理器<–>IO
  • 数据处理：执行与数据相关的算术或逻辑操作
  • 控制：改变指令的执行顺序

实际的指令执行过程

中断

事实上，所有计算机都提供了允许其他模块（IO，存储器）等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。

中断的类别

• 程序中断：某些指令执行的结果（多为错误或异常，如算术溢出、被0除、用户没有权限访问某位置）中断；
• 时钟中断：处理器内部的计时器中断使得处理器按一定的规律执行函数；
• I/O中断：由I/O控制器产生，发信号通知一个I/O操作正常完成或错误
• 硬件失效中断：字面意思，硬件寄了

为什么要有中断

• 没有中断，CPU必须迁就I/O设备的时钟速度，每次写操作后CPU必须保持空闲直到I/O设备发出完成指令——太慢力

• 中断是提高处理器效率的一种手段。

  • 利用中断功能，处理器可以在I/O操作（或者其它中断处理程序）的执行过程中执行其他指令。
  • I/O操作和用户程序中指令的执行是并发的。中断技术使得多道批处理系统的I/O设备可与CPU并行工作，提高了效率。

• 对CPU的其它中断操作，以上也是类似的，中断是无法预测的，处理短促的中断事件比一直跟着某个进程直到产生结果或者错误快。

中断和指令周期

指一个包含了正常指令和中断指令的全周期。

利用中断功能，处理器可以在1/O操作的执行过程中执行其他指令。

和前面一样，用户程序到达系统调用WRITE处，但涉及的IO程序仅包括准备代码和真正的I/O命令。在这些为数不多的几条指令执行后，控制权返回到用户程序。在这期间，外部设备忙于从计算机存储器接收数据并打印。这种IO操作和用户程序中指令的执行是并发的。

从用户程序的角度来看，中断打断了正常执行的序列。中断处理完成后，再恢复执行。因此，用户程序并不需要为中断添加任何特殊的代码，处理器和操作系统负责挂起用户程序，然后在同一个地方恢复执行。

中断处理

软硬件过程

其中，因中断处理导致的内存和寄存器变化如下图：

总体过程

多个中断的处理

• 顺序中断处理：当正在处理一个中断时，禁止中断（对任何新的中断请求信号不予理睬，处理完这个再处理下个）

  • 缺点：没有考虑相对优先级和时间限制的要求

• 嵌套中断处理：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处理程序的运行。

层次结构的特点：

• 由上至下：
  • 每“位”的价格递减
  • 容量递增
  • 存取时间递增
  • 处理器访问存储器的频率递减
• 容量较大、价格较便宜的慢速存储器，是容量较小、价格较贵的快速存储器的后备。
• 存储器层次结构能够成功的关键：低层访问频率递减。

访问的局部性原理

• 在执行程序期间，处理器的指令访存和数据访存呈现“簇”状（一组数据集合），例如：
• 循环：重复访问一小范围的指令集合；
• 数组操作：存取一簇数据。
• 经过很长一段时间，程序访问的“簇”会改变，但在较短时间内，处理器主要访问存储器中固定的“簇”。如二级存储结构，程序当前访问的“簇”暂时存放在第一级存储器中，而第二级存储器包含所有指令和数据。
• 这里指的是硬件上的局部性

高速缓存

为什么有高速缓存

• 指令执行期间，处理器需要多次访问内存；
  处理器和内存的速度不匹配，处理器速度的提高一直快于内存访问速度的提高——处理器执行指令的速度受限；
• 利用局部性原理，在处理器和内存之间提供一个容量小而速度快的存储器——高速缓存。
• 高速缓存试图使访问速度接近现有最快的存储器，同时保持价格便宜的大存储容量。
  

高速缓存原理

高速缓存的设计原理

• 高速缓存大小

• 块大小

• 映射函数

• 置换算法

• 写策略

• 高速缓存的级数、

具体可见。

I/O

可编程IO

• I/O模块执行请求的动作并设置I/O状态寄存器中相应的位；
• 处理器执行I/O指令后，要定期检查I/O的状态，以确定I/O操作是否已经完成。
• 问题：处理器在等待I/O操作完成期间需不断询问I/O模块的状态，严重降低了整个系统的性能
• 用途：串口、并口

中断驱动IO

• 处理器给I/O模块发送I/O命令，然后继续做其它有用的工作；
• 当I/O模块准备好与处理器交换数据时，将打断处理器的执行并请求服务；
• 处理器执行数据传送，然后恢复以前的执行过程
• 问题：处理器仍需要主动干预在存储器和I/O模块之间的数据传送，任何数据传送都必须完全通过处理器

DMA（直接内存存取）

DMA是直接内存存取，这是指一种高速的数据传输操作，允许在外部设备和存储器之间直接读写数据。DMA直接通过一个通路把数据传送到主存储器，无需cpu的参与.

主要特点：

• 直接通过一条数据通路直接与主存进行交换信息

• 无需CPU的直接参与，大大提高了cpu资源利用率

• I/O与CPU并行工作

• 适合于高速 I/O 或辅存与主存之间交换信息

工作机制：DMA由专门的硬件（DMA）控制下，实现高速外设和主存储器之间自动成批交换数据，尽量减少CPU干预的输入/输出操作方式。

• 当处理器要读或写一块数据时，给DMA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I/O设备的地址；
  • 开始读或写的存储器单元；
  • 需要读或写的字数。

  此时IO设备的管理权转移到DMA设备，CPU继续其它工作。DMA模块直接与存储器交互，传送整个数据块，无须处理器参与。

• 传送完成或IO错误，DMA模块发一个中断信号给处理器，处理器处理中断。

缺点：周期挪用：当 CPU 与 I/O 同时访问主存，CPU 必须把总线占有权让给 DMA 接口使用，即 DMA 采用周期挪用占用一个存储周期，处理器的执行速度会变慢。

DMA 中断IO 可编程IO的区别

多核处理器和多核计算机组织结构

对称多处理器（SMP）

SMP是具有以下特点的独立计算机系统：

• 具有两个或两个以上可比性能的处理器；

• 所有处理器共享内存和I/O设备，并通过总线或其他内部连接方式互连，从而每个处理器的访存时间大致上相同；

• 所有处理器共享对I/O设备的访问，通过相同的通道或者可以连接到相同设备的不同通道；所有处理器可以执行相同的功能；

• 整个系统由一个统一的操作系统控制，为多个处理器及其程序提供各种级别的交互。

多处理器的存在对用户是透明的。

该结构说白了就是N个处理器共享总线、IO、内存，形成多物理处理器的电脑，如下图所示：

多核CPU

多核（muliticore）计算机是指将两个或多个处理器（核）组装在同一块芯片上。每个核上通常会包含组成一个独立的处理器的所有零部件。如下图：