操作系统精髓与设计原理学习笔记

计算机系统概述

1.1基本构成

计算机基本构成：处理器、存储器、输入/输出部件
处理器：逻辑处理单元，控制计算机的操作，执行数据处理功能，（CPU）。
内存：存储数据和程序。特点是易失性，关机后，存储器的内容就会丢失，通常被称为实存储器或主存储器。
输入/输出模块：在计算机和外部环境（外部设备（存储器设备：硬盘、通信设备和终端））之间移动数据。
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。
寄存器简介：
CPU使用的寄存器
存储器地址寄存器（MAR）：确定下一次读写的存储器地址。
存储器缓冲寄存器（MBR）存放要写入存储器的数据或从存储器读取的数据。
输入/输出寄存器：
输入/输出地址寄存器（I/O AR）确定一个特定的输入/输出设备。
输入/输出缓冲寄存器（I/O BR）用于在输入/输出模块和处理器间交换数据。

1.2处理器寄存器

处理器包含一组寄存器，它们提供一定的存储能力，比内存访问速度快，但比内存的容量小。
用户可见寄存器：优先使用这些寄存器，可以减少使用机器语言或汇编语言的程序员对内存的访问次数。对高级语言而言，由优化编译器负责决定哪些变量应该分配给寄存器，哪些变量应该分配给内存。一些高级语言（如C语言）允许程序员建议编译器把哪些变量保存在寄存器中。
控制和状态寄存器：用以控制处理器的操作，且主要被具有特权的操作系统例程使用，以控制程序的执行。

1.2.1用户可见寄存器

用户可见寄存器可以通过由处理器执行的机器语言来引用。
数据寄存器：可以被执行数据操作的任何机器指令使用。
地址寄存器：存放数据和指令的内存地址，或者存放用于计算完整地址或有效地址的部分地址。
变址寄存器：变址寻址是一种最常用的寻址方式，它通过给一个基值加一个索引来获得有效地址。
段指针：对于分段寻址方式，存储器被划分为段，这些段由长度不等的字块组成，段由若干长度的字组成。一个存储器引用由一个特定的段号和段内的偏移量组成，采用这种方式，需要由一个寄存器保存段的基地址（起始地址）.。
栈指针：如果对用户可见的栈进行寻址，则应该有一个专门的寄存器指向栈顶。这样就可以使用不包含地址域的指令，如入栈（push）和出栈（pop）。

1.2.2控制和状态寄存器

有多种处理器的寄存器用于控制处理器的操作。
程序计数器（PC）：包含将取指令的地址。
指令寄存器（IR）：包含最近取的指令的内容。
程序状态字（PSW）：包含条件码与状态信息，如中断允许/禁止位和内核/用户态位
条件码（标记）：是处理器硬件为操作结果设置的位。

1.3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。
指令处理的两个步骤：
1.处理器从存储器中一次读（取）一条指令。（取指阶段）
2.执行读取的指令。（执行阶段）
指令周期：
一个指令需要的处理时间成为一个指令周期。

1.3.1取指令和执行指令

在每个指令周期开始时，处理器从存储器中取一条指令。程序计数器（PC）保存下一次要取的指令地址（即位于下一个存储器地址的指令）。
取得的指令被放置在处理器的一个寄存器中，这个寄存器称作指令寄存器（IR）
指令操作：
处理器-存储器：数据可以从处理器传送到存储器，或者从存储器传送到处理器。
处理器-I/O：通过处理器和I/O模块间的数据传送，数据可以输出到外部设备，或者从外部设备输入数据。
数据处理：处理器可以执行很多与数据相关的算数操作或逻辑操作。
控制：某些指令可以改变执行顺序。改变取指地址。
指令的执行可能涉及这些行为的组合。
指令格式：由操作码与存储器地址构成。

1.3.2 I/O函数

I/O模块（例如磁盘控制器）可以直接与处理器交换数据。处理器可以通过指定存储单元的地址来启动对存储器的读和写一样，处理器也可以从I/O模块中读取数据或向I/O模块中写数据。
在某些情况下，允许I/O模块直接与内存发生数据交换，以减轻在完成I/O任务过程中的处理器负担。此时，处理器允许I/O模块具有从存储器中读或往存储器中写的特权，这样I/O模块与存储器之间的数据传送无需通过处理器完成。在这类传送过程中，I/O模块对存储器发出读命令或写命令，从而免去了处理器负责数据交换的任务。这个操作称为直接内存存取。

1.4中断

事实上所有计算机都提供了允许其他模块（I/O、存储器）中断处理器正常处理过程的机制。
中断分类：
程序中断：在某些条件下由指令执行的结果产生，例如算数溢出、除数为0、试图执行一条非法的机器指令，以及访问到用户不允许的存储器位置。
时钟中断：由处理器内部的计时器产生，允许操作系统以一定的规律执行函数。
I/O中断：由I/O控制器产生，用于发信号通知一个操作的正常完成或各种错误条件。
硬件故障中断：由诸如掉电或存储器奇偶错误之类的故障产生。

1.4.1中断与指令周期

中断的作用：例如在IO程序执行准备的过程中，可以继续执行用户程序，当用户程序接收到IO操作准备完成的中断信号后。此时中断执行IO命令，多以中断不一定是在执行IO指令的时候。

1.4.2中断处理

中断的过程中，处理器会将PSW和PC压入控制栈，根据中断，处理器加载新的PC值，并保存剩余的处理器状态信息，然后处理中断。完成后，恢复处理状态信息，并恢复老PSW和PC值。
处理过程：
1. 设备给处理器发出一个中断信号。
2. 处理器在响应中断前结束当前执行的指令。
3. 处理器对中断进行测定，确定存在未响应的中断，并给提交中断的设备发送确认信号，确认信号允许该设备取消它的中断信号。
4. 处理器需要把控制权转移到中断程序中去做准备。（需要保存当前的信息）
5. 处理器把响应此中断的中断处理程序入口的地址装入程序计数器中。
6. 中断处理程序完成后，之前保存的信息还原。
7. 继续执行用户程序。

1.4.3多个中断

处理多个中断有两种方法：
1. 当处理一个中断时，禁止再发生中断。禁止中断的意思是处理器将对任何新的中断请求信号不予理睬。如果在这期间发生了中断，通常中断保持挂起，当处理器再次允许中断时，再由处理器检查，若存在新的中断，则运行中断。多个中断也需要按照顺序执行。
该方法的缺陷：
没有考虑定义中断优先级，和时间限制的要求。
2. 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

1.4.4多道程序设计

如在处理器等待该用户程序的实践过程，此时处理器是空闲的，造成了浪费。
假设处理器执行两道程序。一道程序从存储器中毒数据并放入外部设备中，另一道是包括大量计算的应用程序。处理器开始执行输出程序，给外部设备发送一个写命令，接着开始执行其他应用程序。当处理器处理很多程序时，执行顺序取决于他们的相对优先级以及它们是否正在等待I/O。

1.5存储器的层次结构

为了存储器达到一个容量、读写速度、价格上的折中，通常使用组合型的存储器。
高速存储器到低速存储器特点：
1. 每一个位的价格递减
2. 容量递增
3. 存取时间递增
4. 处理器访问存储器的频率递减
若数据存储在二级存储器中，则先将二级存储器数据存放在一级存储器中，处理器在从一级存储器中获得数据。
4成立的条件是，当处理器执行一个循环时，处理器只需重复访问一个指令集合，因此对其它级别的处理器访问频率会递减。
此原理可以应用于多级存储器组织结构中。最快、最小和最贵的存储器类型由位于处理器内部的寄存器组成。
内存：
向下跳过两级存储器层次就到了内存层次，内存是计算机中主要的内部存储器系统。内存中的每个单元位置都有一个唯一的地址对应，而且大多数机器指令会访问一个或多个内存地址。内存通常是高速的，容量较小的高速缓存的扩展。高速缓存通常对程序员不可见，或者更确切的说，是对处理器不可见。高速缓存用于在内存和处理器的寄存器之间分段移动数据，以提高数据访问的性能。