【更新中】Operating System Concepts读书笔记——计算机系统结构【2】

更新了恐龙书到第10版，本篇笔记主要对应书中的1.2部分。

一、计算机组织形式

1.1 总线与驱动

  计算机通过**系统总线（System Bus）将各类设备连接，通过驱动程序（Driver）**理解硬件设备，实现操作系统对硬件的操作。

1.2 中断

  考虑一个程序进行I/O操作的情况。为了启动IO，设备驱动器首先加载需要参与的寄存器到设备控制器中，然后检查寄存器中的数据，决定下一步要做的事情（如接受一个键盘字符输入）。在完成了将数据加载后，如加载设备中的信息到内存，设备控制器通知设备驱动已经完成。驱动然后交还控制给操作系统，交还一般会返回一些信息，比如数据，比如指向内存数据的指针。
Q：考虑上述过程设备控制器是如何通知驱动程序已经完成的。
A：通过中断

1.2.1 概览

  中断的过程如其名，即在CPU上下文中插入一个中断服务，最后再恢复回去。它大概包含以下过程及概念：

• 中断由系统总线通知CPU，中断非常频繁，所以CPU要立即处理中断。
• 每个计算机都有自己的中断机制，中断后需要迅速转移控制（CPU时间、CPU操作）给中断控制程序（例程）。
• 通常使用一个包含指针的表存储中断控制程序地址信息，这个表也成为中断向量表（因为存储了中断程序地址）。这个表本身是一个数组，数组下标是中断编号，所以可以快速索引。
• 中断向量表不是由一个进程所有，而是存储在低地址空间中（为什么放低地址是考虑到硬件读取字长有限的问题，地址分割可参见这篇博文《Linux内核是如何分割你的RAM的（划分物理地址）》）
• 中断过程必须保留中断前的所有状态信息，比如中断程序要修改寄存器的值，需要提前保存。在中断执行结束后再加载这些状态信息，仿佛未发生过中断。

1.2.2 实现

  CPU有一个硬件的中断感知线Interrupt request line，专门感知中断信号，CPU每运行完一个指令都会通过这个line检查中断。
  CPU检查到中断后，会利用这个中断编号去检索中断向量表，迅速转移到中断处理例程（Interrupt handler routine）中去。
  Interrupt handler routine首先提前保存好它要修改的信息（例如：某些要使用的寄存器上的数据），然后判断中断发生原因并执行处理，然后执行return_from_interrupt函数返回结果，回到之前的状态。

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  整个状态可以用CPU和Interrupt handler routine，及与它们相关的几个动词联系起来：

• 设备控制器通过Interrupt request line发送信号到CPU从而*发起*中断。
• CPU捕获中断，分派中断给Interrupt handler routine。
• Interrupt handler routine服务设备，清除中断。

该过程如下图所示：

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  中断机制让CPU拥有了异步处理的能力（CPU在等待设备的时间里可以忙别的东西）。现在操作系统拥有更多的能力：

1. 在CPU处理关键进程的时候可以延迟中断的处理。
2. 更加高效的分派中断处理程序。
3. 建立基于优先级的多级中断，优先处理高级别中断。

  现代操作系统实现这些功能通过CPU和中断控制硬件（Interrupt Control Hardware）。

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  大部分的CPU拥有两条Interrupt request line：

• 处理无法掩盖（处理）的中断（non-maskable）：无法处理，例如内存错误
• 可以掩盖（处理）的中断（maskable）：CPU可以取消（忽略）的中断，很多的设备控制器就走这条。

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  中断向量表的作用是快速索引Interrupt handler routine，但是真实情况下这个表纯使用数组可能会相当巨大，所以在实现的方面才用了线性表的方式（索引+一一遍历）。（不熟悉数据结构的话可以查询线性表或哈希表之类的实现），下图是Intel CPU的中断向量表，0~31为nonmaskable的内容。

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  作为总结，中断是操作系统实现异步的核心机制。设备控制器和硬件错误引发了中断。现代操作系统为了优先处理高级别的中断，操作系统建立了一整套处理中断的系统。因为中断在操作系统中出现的相当频繁，所以高效的中断处理程序非常重要。

1.3 存储结构

1.4 I/O结构