操作系统：计算机中的硬件

骑猪看日落 2022-12-14 15:54 199阅读 0赞

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# CPU #

CPU是计算机的大脑，主要和内存进行交互，从内存中读取指令然后并执行它。 一个CPU的执行周期是从内存中提取第一条指令，解码(成010101)并决定它的类型和操作数，执行；然后再提取，解码执行后续指令，重复该循环然后直到程序执行完毕。

CPU主要由两部分组成：`控制单元`和`算术逻辑单元(ALU)`

*  控制单元：从内存中提取指令并且解码运行
 *  算法逻辑单元：处理算术和逻辑运算

从功能上看，CPU的内部由**寄存器、控制器、运算器和时钟**四部分组成，各部分之间通过电信号联通

*  `寄存器`：用于暂存指令、数据和地址，可以看成是内存的一种。一般一个CPU内部会有20-100个寄存器
 *  `控制器`：负责把内存上的指令、数据读入寄存器，并根据指令的结果控制寄存器
 *  `运算器`：负责运算从内存中读取寄存器的数据
 *  `时钟`： 负责发出CPU开始计时的时钟信号

其中，我们最应该关注的是`寄存器`

由于访问内存获取指令比执行指令花费的时间长，因此CPU内部都会包含一些`寄存器`来保存关键变量和临时结果。

每个CPU都有一组可以执行的特定指令集。

*  有的指令用于把关键字从内存加载到寄存器中
 *  有的指令用于把关键字从寄存器加载到内存中
 *  有的指令用于把寄存器和内存中的操作进行组合

除了用于保存变量和临时结果的通用寄存器外，还有些程序员可见（常用于Debug程序）的特殊寄存器：

*  `程序计数器(program counter)`：用于指示下一条需要从内存中读取的指令的地址。提取指令之后，程序计数器将更新为下一条需要提取的地址。
 *  `堆栈指针(stack pointer)`：指向内存中当前栈的顶端。堆栈指针会包含输入过程中的有关参数、局部变量以及没有保存在寄存器中的临时变量
 *  `PSW(Program Status Word)程序状态寄存器`：由操作系统维护（一般程序员应该忽略它），它会跟踪当前系统的状态。PSW在系统调用和IO中起着重要作用，

> 除了嵌入式系统的非常简单的CPU之外，多数CPU都有两种模式：内核态、用户态
> 
>  *  通常，`PSW寄存器`中的一个二进制会控制当前状态是内核态还是用户态。
>  *  `内核态`时CPU能够执行任何指令集中的指令并能够使用硬件的功能。
> 
> > 在台式机和服务器上，操作系统通常以内核模式运行。在大多数嵌入式系统中，一部分运行在内核态，一部分运行在用户态。
> 
>  *  `用户态`下，CPU只能执行指令集中的一部分并且只能访问硬件的一部分功能。
> 
> > 应用程序通常运行在用户态下。
> > 
> > 用户态无法转为内核态。应用系统想要操作硬件，必须通过`系统调用`，才能从用户态转为运行态。

操作系统必须了解所有的寄存器，在`时间多路复用CPU`中，常常发生程序的切换，操作系统需要暂停某个程序转为运行另一个程序，每次操作系统暂停程序时，需要保存当前程序的寄存器的所有寄存器的值，以便后续重新运行该程序。

一个CPU上在一个时刻只能有一个进程运行。当一个线程想要从内存中读取指令（耗时比CPU执行指令慢得多）时，多线程CPU可以快速切换到另外一个线程。这个就叫做程序的并发。

现在的芯片基本上都是多核。那为什么芯片要是多核的呢？

我们先来了解下什么是多核。 比如说一个4核芯片上面承载了4个微型芯片，每个微型芯片上都有自己独立的CPU。多个CPU可以让多个程序并发的运行。  
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# 内存 #

程序和数据必须载入到内存中才能被CPU运行。但是由于CPU执行执行的时间比CPU从内存的读取指令的时间快得多，而且内存比较贵，因此CPU的存储器系统采用了一种分层次的结构。

> 程序保存在存储设备中，通过使用CPU来实现程序指令的执行，这种机制称为`存储程序方式`。【以前程序的运行是通过改变计算机的布线来读写指令的】

顶层的存储器速度最高，但是容量最小，成本非常高，层级结构越往下，其访问效率越慢，容量越大，造价越便宜。

## 寄存器 ##

存储器的顶层时CPU中的寄存器，他们用和CPU一样的材料制成，和CPU一样快。它们有程序员自行决定怎么使用

## 高速缓存 ##

cache分为一级缓存(L1 Cache)，二级缓存(L2 Cache)，三级缓存(L3 Cache)等， 位于内存和寄存器之间，读写速度比内存更快，比缓存慢。当CPU向内存中写入数据的时候，这些数据也会被写入告诉缓存中，当CPU需要读取数据时，会直接从高速缓存中读取，当前，如果没有找到需要的数据，CPU就会去内存中找。

L1 Cache和L2 Cache最大的不同在于是否存在延迟。访问L1 Cache没有延迟，L2 Cache会延迟1-2个时钟周期。

## 主存 ##

主存一般就是RAM，是内存系统的主力军，就是我们说的内存。内存负责存储CPU中运行的程序和数据

> 严格的说，内存包括主存(内存条,基于DRAM)与高速缓存(Cache,基于SRAM)两部分。可能是由于Cache相较内存条容量很小，毕竟内存容量只计内存条大小，加上重要性也不及内存条，一般人或许不知道Cache,所以就忽略了高速缓存Cache，直接将主存–内存条等同了内存吧

断电内存数据会丢失。

## 磁盘 ##

磁盘和内存都具有存储功能，它们都是存储设备。区别在于：

*  内存时通过`电流`来实现存储（这就是为什么断电数据会丢失的原因）， 磁盘则是通过`磁记录技术`来实现存储的；
 *  内存高速但是贵，磁盘慢但是便宜；
 *  电脑断电后，内存中的数据会丢失，磁盘不会；
 *  内存是内部存储设备，磁盘是外部存储设备

为什么程序必须读入内存才能CPU运行，而不是直接从磁盘中读取呢？

*  CPU中的程序计数器是通过指定内存地址而读出程序指令的
 *  从内存中读取数据比从磁盘中读取数据要快得多。

## 磁盘与内存的合作关系 ##

### 磁盘缓存 ###

每次内存从磁盘中读取数据，必然会读到相同的内容，我们可以**在内存中开辟一段空间，当作假想磁盘**，每次想要访问磁盘中的数据时，先访问这段空间，如果这段空间找不到，才到磁盘中读取，这段空间就叫做**磁盘缓存**

### 虚拟内存 ###

虚拟内存别称虚拟存储器（Virtual Memory）。电脑中所运行的程序均需经由内存执行，若执行的程序占用内存很大或很多，则会导致内存消耗殆尽。为解决该问题，OS中运用了虚拟内存技术，即**匀出一部分硬盘空间来充当内存使用**。当内存耗尽时，电脑就会自动调用硬盘来充当内存，以缓解内存的紧张。这种机制使得**期望运行大于物理内存的程序成为可能**

虚拟内存机制需要快速的映像内存地址，以便把程序生成的地址转换成有关字节在RAM中的物理地址。这种映像由CPU中的一个部件，称为**存储器管理单元MMU**来完成

缓存和MMU的出现对系统的性能由重要的影响。从一个程序切换回另一个程序，有时也称为上下文切换。但这两种操作很昂贵，所以应该努力避免这些操作

虚拟内存在硬盘上的存在形式就是 PAGEFILE.SYS这个页面文件

> 许多年以前，当人们还在使用DOS或是更古老的操作系统的时候，计算机的内存还非常小，一般都是以K为单位进行计算，相应的，当时的程序规模也不大，所以内存容量虽然小，但还是可以容纳当时的程序。但随着图形界面的兴起还有用户需求的不断增大，应用程序的规模也随之膨胀起来，终于一个难题在程序员的面前，那就是应用程序太大以至于内存容纳不下该程序，通常解决的办法是把程序分割成许多称为覆盖块（overlay）的片段。
> 
> 覆盖块0首先运行，结束时他将调用另一个覆盖块。虽然覆盖块的交换是由OS完成的，但是必须先由程序员把程序先进行分割，这是一个费时费力的工作，而且相当枯燥。人们必须找到更好的办法从根本上解决这个问题。不久人们找到了一个办法，这就是虚拟存储器(virtual memory)。**虚拟存储器的基本思想是程序，数据，堆栈的总的大小可以超过物理存储器的大小，操作系统把当前使用的部分保留在内存中，而把其他未被使用的部分保存在磁盘上**。比如对一个16MB的程序和一个内存只有4MB的机器，**操作系统通过选择，可以决定各个时刻将哪4M的内容保留在内存中，并在需要时在内存和磁盘间交换程序片段**，这样就可以把这个16M的程序运行在一个只具有4M内存机器上了。而这个16M的程序在运行前不必由程序员进行分割，有内存管理单元MMU来完成

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