操作系统——计算机硬件简介

CPU、内存以及I/O设备都有一条系统总线连接起来并通过总线与其他设备通信。

处理器

计算机的“大脑”是CPU，它从内存中取出指令并执行之。在每个CPU基本周期中，首先从内存中取出指令，解码以确定其类型和操作数，接着执行之，然后取指令、解码并执行下一条指令。

流水线

一个CPU可有单独的取指单元、解码单元和执行单元。于是当它执行指令$n$时，还可以对指令$n+1$解码，读取$n+2$指令。

超标量CPU 在这个设计中，可以由多个执行单元。

多线程和多核芯片

多线程允许CPU保持不同的线程状态，然后在纳秒级的时间尺度内来回切换。多线程CPU则可以切换至另外一个先。多线程不提供真正的并行处理。
除了多线程，还出现了包含2个或4个完整处理器或内核CPU芯片。
GPU指的是由于成千上万的微核组成的处理器，擅长处理大量并行的简单计算。

存储器

存储器系统的顶层是CPU中的寄存器，与CPU相同的材料制成。
下一层是高速缓存，多数由硬件控制，主存被分割成**高速缓存行（cache line）**其典型的大小为64字节，地址$0\sim 63$对应高速缓存行0，地址$64\sim 127$对应高速缓存行1.
现代的CPU中设计了两个缓存。

• 第一级或称为L1缓存总在CPU中，通常用来将已解码的指令调如CPU的执行引擎
• 第二级缓存称为L2缓存，用来存放在近来使用过的若干数据。

主存通常称为随机访问缓存器（Random Access Memory,RAM）

磁盘

在一个磁盘中有一个或多个金属盘片，他们以5400rpm、7200rpm、10800rpm或更高的速度旋转。

在任意一个给定臂的位置，每个磁头可以读取一段环形区域，称为磁道（track）。把一个给定臂的位置上的所有磁道合并起来组成一个柱面。

I/O设备

启动设备的方式

1. 用户程序发出一个系统调用，内核将其翻译成一个对应的设备驱动程序的过程调用，然后设备驱动程序启用I/O并在一个连续不断的循环中检查该设备。
2. 设备驱动程序启动设备并且让该设备在操作完成时发出一个中断，操作系统接着在需要阻塞调用者并安排其他工作进行，当设备驱动程序检测到该设备的操作完毕时，发出一个中断通知操作完成。
3. 为I/O使用一个特殊的直接存储器访问芯片，可以控制在内存和某些控制器之间的位流，无需持续的CPU干涉。

总线

**PCIe(Peripheral Component Interconnect Express)总线

**共享总线架构：**表示多个设备使用一些相同的导线传输数据。传统PCI使用的并行总线架构表示通过多条导线发送数据的每一个字。

PCIe使用串行总线架构（Serial bus architecture），通过一条被称为数据通路的链路集合了所有位的一条消息，这非常像网络包。多个消息同时传输。

CPU通过DDR3总线与内存对话，通过PCIe总线与外围图形设备对话，通过DMI（Direct Media Interface）总线经过集成中心与所有其他设备对话。集成中心通过通用串行总线与USB设备对话，通过SATA总线与硬盘和DVD驱动器对话，通过PCIe传输以太网络帧。

USB（Universal Serial Bus）：用来将所有慢速I/O设备与计算机相连。

SCSI（Small Computer System Interface）：总线是一种高速总线，用在高速硬盘，扫描仪和其他需要较大带宽的设备。

启动计算机

在双亲板上有一个称为**基本输入输出系统（Basic Input Output System,BIOS）**的程序。在BIOS内有底层I/O软件，包括读键盘，写屏幕，进行磁盘I/O以及其他过程。

BIOS开始运行，首先检查所安装的RAM数量，键盘和其他基本设备是否已安装并正常响应。开始扫描PCIe和PCI总线并找出连在上面的所有设备。

BIOS通过尝试存在CMOS设备器中的设备清单决定启动设备。典型地，如果存在CD-ROM(或USB)，则系统视图从中启动，如果失败，系统将从硬盘启动。启动设备上的第一个扇区被读入内存并执行，这个扇区中包含一个对保存在启动扇区末尾的分区表检查的设备，以确定那个分区是活动的。从这个分区读入第二个启动装在模块，来自活动分区的这个装载模块被读入操作系统，并启动。