操作系統(tǒng)

• 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由一個或多個處理器、主存、打印機(jī)、鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、網(wǎng)絡(luò)接口以及各種輸入/輸出設(shè)備構(gòu)成。
• 上面提到的這些東西都屬于硬件資源，用戶不會直接和硬件進(jìn)行交互，計(jì)算機(jī)安裝了一層軟件，這層軟件能夠通過響應(yīng)用戶輸入的指令達(dá)到控制硬件的效果，從而滿足用戶需求，這種軟件稱之為 操作系統(tǒng)
• 常見的操作系統(tǒng)主要有Windows, Linux等，這種帶有圖形界面的操作系 統(tǒng)被稱為圖形用戶界面(GUI)，而基于文本、命令行的通常稱為Shell。

• 操作系統(tǒng)的簡化圖如上圖所示，最下面的是硬件，硬件包括芯片、電路板、磁盤、鍵盤、顯示器等，在硬件之上是軟件。大部分計(jì)算機(jī)有兩種運(yùn)行模式：內(nèi)核態(tài) 和 用戶態(tài)，軟件中最基 礎(chǔ)的部分是操作系統(tǒng)，它運(yùn)行在內(nèi)核態(tài) 中，內(nèi)核態(tài)也稱為 管態(tài)和核心態(tài)，它們都是操作系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，只不過是不同的叫法而已。操作系統(tǒng)具有硬件的訪問權(quán)，可以執(zhí)行機(jī)器能夠運(yùn)行的任何指令。
• 軟件的其余部分運(yùn)行在 用戶態(tài)下。用戶接口程序（shell或者GUI）處于用戶態(tài)中，并且它們位于用戶態(tài)的最低層，允許用戶運(yùn)行其他程序，例如Web瀏覽器、電子郵件閱讀器、音樂播放器等。而且，越靠近用戶態(tài)的應(yīng)用程序越容易編 寫，如果你不喜歡某個電子郵件閱讀器你可以重新寫一個或者換一個，但你不能自行寫一個操作系統(tǒng)或 者是中斷處理程序。這個程序由硬件保護(hù)，防止外部對其進(jìn)行修改。

CPU

• CPU主要和內(nèi)存進(jìn)行交互，從內(nèi)存中提取指令并執(zhí)行。一個CPU的執(zhí)行周期是從內(nèi)存中提取第一條指令、解碼并決定它的類型和操作數(shù)，執(zhí)行，然后再提取、解碼執(zhí)行后續(xù)的指令。 重復(fù)該循環(huán)直到程序運(yùn)行完畢。
• 每個CPU都有一組可以執(zhí)行的特定指令集。因此，x86的CPU不能執(zhí)行ARM的程序并且ARM的 CPU也不能執(zhí)行x86的程序。由于訪問內(nèi)存獲取執(zhí)行數(shù)據(jù)要比執(zhí)行指令花費(fèi)的時間長，因此所有的 CPU內(nèi)部都會包含一些寄存器來保存關(guān)鍵變量和臨時結(jié)果。因此，在指令集中通常會有一些指令用于把關(guān)鍵字從內(nèi)存中加載到寄存器中，以及把關(guān)鍵字從寄存器存入到內(nèi)存中。還有一些其他的指令會把來自寄存器和內(nèi)存的操作數(shù)進(jìn)行組合，例如add操作就會把兩個操作數(shù)相加并把結(jié)果保存到內(nèi)存中。
• 除了用于保存變量和臨時結(jié)果的通用寄存器外，大多數(shù)計(jì)算機(jī)還具有幾個特殊的寄存器，這些寄存器對于程序員是可見的。
• 其中之一就是程序計(jì)數(shù)器(program counter)，程序計(jì)數(shù)器會指示下一條需要從內(nèi)存提取指令的地址。提取指令后，程序計(jì)數(shù)器將更新為下一條需要提取的地址。
• 另一個寄存器是堆棧指針(stack pointer)，它指向內(nèi)存中當(dāng)前棧的頂端。堆棧指針會包含輸入過程 中的有關(guān)參數(shù)、局部變量以及沒有保存在寄存器中的臨時變量。
• 還有一個寄存器是PSW(Program Status Word)程序狀態(tài)字寄存器，這個寄存器是由操作系統(tǒng)維護(hù)的8個字節(jié)(64位)long類型的數(shù)據(jù)集合。它會跟蹤當(dāng)前系統(tǒng)的狀態(tài)。除非發(fā)生系統(tǒng)結(jié)束，否則可以 忽略PSW。用戶程序通常可以讀取整個PSW，但通常只能寫入其某些字段。PSW在系統(tǒng)調(diào)用和I / O 中起著重要作用。
• 操作系統(tǒng)必須了解所有的寄存器。在時間多路復(fù)用(time multiplexing)的CPU中，操作系統(tǒng)往往 停止運(yùn)行一個程序轉(zhuǎn)而運(yùn)行另外一個。每次當(dāng)操作系統(tǒng)停止運(yùn)行一個程序時，操作系統(tǒng)會保存所有寄存 器的值，以便于后續(xù)重新運(yùn)行該程序。
  為了提升性能，CPU設(shè)計(jì)人員早就放棄了同時去讀取、解碼和執(zhí)行一條簡單的指令。許多現(xiàn)代的CPU 都具有同時讀取多條指令的機(jī)制。例如，一個CPU可能會有單獨(dú)訪問、解碼和執(zhí)行單元，所以，當(dāng) CPU執(zhí)行第N條指令時，還可以對N + 1條指令解碼，還可以讀取N + 2條指令。像這樣的組織形式 被稱為流水線(pipeline),

• ?比流水線更先進(jìn)的設(shè)計(jì)是 超標(biāo)量(superscalar) CPU,下面是超標(biāo)量CPU的設(shè)計(jì)

• 在上面這個設(shè)計(jì)中，存在多個執(zhí)行單元，例如，一個用來進(jìn)行整數(shù)運(yùn)算、一個用來浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算、一個用來布爾運(yùn)算。兩個或者更多的指令被一次性取出、解碼并放入緩沖區(qū)中，直至它們執(zhí)行完畢。只要一個 執(zhí)行單元空閑，就會去檢查緩沖區(qū)是否有可以執(zhí)行的指令。如果有，就把指令從緩沖區(qū)中取出并執(zhí)行。 這種設(shè)計(jì)的含義是應(yīng)用程序通常是無序執(zhí)行的。在大多數(shù)情況下，硬件負(fù)責(zé)保證這種運(yùn)算的結(jié)果與順序 執(zhí)行指令時的結(jié)果相同。
• 除了用在嵌入式系統(tǒng)中非常簡單的CPU之外，多數(shù)CPU都有兩種模式，即前面已經(jīng)提到的內(nèi)核態(tài)和 用戶態(tài)。通常情況下，PSW寄存器中的一個二進(jìn)制位會控制當(dāng)前狀態(tài)是內(nèi)核態(tài)還是用戶態(tài)。當(dāng)運(yùn)行在 內(nèi)核態(tài)時，CPU能夠執(zhí)行任何指令集中的指令并且能夠使用硬件的功能。在臺式機(jī)和服務(wù)器上，操作系統(tǒng)通常以內(nèi)核模式運(yùn)行，從而可以訪問完整的硬件。在大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)中，一部分運(yùn)行在內(nèi)核態(tài) 下，剩下的一部分運(yùn)行在用戶態(tài)下。
• 用戶應(yīng)用程序通常運(yùn)行在用戶態(tài)下，在用戶態(tài)下，CPU只能執(zhí)行指令集中的一部分并且只能訪問硬件 的一部分功能。一般情況下，在用戶態(tài)下，有關(guān)I/O和內(nèi)存保護(hù)的所有指令是禁止執(zhí)行的。當(dāng)然，設(shè)置 PSW模式的二進(jìn)制位為內(nèi)核態(tài)也是禁止的。
• 為了獲取操作系統(tǒng)的服務(wù)，用戶程序必須使用系統(tǒng)調(diào)用(system call)，系統(tǒng)調(diào)用會轉(zhuǎn)換為內(nèi)核態(tài)并 且調(diào)用操作系統(tǒng)。TRAP指令用于把用戶態(tài)切換為內(nèi)核態(tài)并啟用操作系統(tǒng)。當(dāng)有關(guān)工作完成之后，在 系統(tǒng)調(diào)用后面的指令會把控制權(quán)交給用戶程序。我們會在后面探討操作系統(tǒng)的調(diào)用細(xì)節(jié)。
• 需要注意的是操作系統(tǒng)在進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用時會存在陷阱。大部分的陷阱會導(dǎo)致硬件發(fā)出警告，比如說試圖 被零除或浮點(diǎn)下溢等。在所有的情況下，操作系統(tǒng)都能得到控制權(quán)并決定如何處理異常情況。有時， 由于出錯的原因，程序不得不停止。

多線程與多核芯片

• Intel Pentinum 4也就是奔騰處理器引入了被稱為多線程(multithreading)或 超線程 (hyperthreading, Intel公司的命名)的特性，x86處理器和其他一些CPU芯片就是這樣做的。 包括SSPARC、Power5、Intel Xeon和Intel Core系列。近似地說，多線程允許CPU保持兩個不同的線程狀態(tài)并且在納秒級(nanosecond)的時間完成切換。例如，如果一個進(jìn)程想要從內(nèi)存中讀取指令(這通常會經(jīng)歷幾個時鐘周期)，多線程CPU則可以切換至另一個線程。多線程不會提供真正的并行處理。在一個時刻只有一個進(jìn)程在運(yùn)行。
• 對于操作系統(tǒng)來講，多線程是有意義的，因?yàn)槊總€線程對操作系統(tǒng)來說都像是一個單個的CPU。比如 一個有兩個CPU的操作系統(tǒng)，并且每個CPU運(yùn)行兩個線程，那么這對于操作系統(tǒng)來說就可能是4個 CPU。
• 除了多線程之外，現(xiàn)在許多CPU芯片上都具有四個、八個或更多完整的處理器或內(nèi)核。多核芯片在其 上有效地承載了四個微型芯片，每個微型芯片都有自己的獨(dú)立CPU。

帶有共享L2緩存的4核芯片?

帶有分離L2緩存的4核芯片??

• 如果要說在絕對核心數(shù)量方面，沒有什么能贏過現(xiàn)代GPU(Graphics Processing Unit) , GPU是 指由成千上萬個微核組成的處理器。它們擅長處理大量并行的簡單計(jì)算。

內(nèi)存

• 計(jì)算機(jī)中第二個主要的組件就是內(nèi)存。理想情況下，內(nèi)存應(yīng)該非常快速（比執(zhí)行一條指令要快，從而不會 拖慢CPU執(zhí)行效率），而且足夠大且便宜，但是目前的技術(shù)手段無法滿足三者的需求。于是采用了不同 的處理方式，存儲器系統(tǒng)采用一種分層次的結(jié)構(gòu)
• 存儲分級

• 頂層的存儲器速度最高，但是容量最小，成本非常高，層級結(jié)構(gòu)越向下，其訪問效率越慢，容量越大， 但是造價(jià)也就越便宜。

寄存器

• 存儲器的頂層是CPU中的寄存器，它們用和CPU 一樣的材料制成，所以和CPU 一樣快。程序必須 在軟件中自行管理這些寄存器（即決定如何使用它們）

高速緩存

• 位于寄存器下面的是高速緩存，它多數(shù)由硬件控制。主存被分割成高速緩存行為64 字節(jié)，內(nèi)存地址的0 - 63對應(yīng)高速緩存行0，地址64 - 127對應(yīng)高速緩存行的1,等等。使用最頻繁 的高速緩存行保存在位于CPU內(nèi)部或非常靠近CPU的高速緩存中。當(dāng)應(yīng)用程序需要從內(nèi)存中讀取關(guān)鍵詞的時候，高速緩存的硬件會檢查所需要的高速緩存行是否在高速緩存中。如果在的話，那么這就 是高速緩存命中（cache hit）。高速緩存滿足了該請求，并且沒有通過總線將內(nèi)存請求發(fā)送到主內(nèi)存。高速緩存命中通常需要花費(fèi)兩個時鐘周期。緩存未命中需要從內(nèi)存中提取，這會消耗大量的時間。 高速緩存行會限制容量的大小因?yàn)樗脑靸r(jià)非常昂貴。有一些機(jī)器會有兩個或者三個高速緩存級別，每 一級高速緩存比前一級慢且容量更大。
• 緩存在計(jì)算機(jī)很多領(lǐng)域都扮演了非常重要的角色，不僅僅是RAM緩存行。
• 隨機(jī)存儲器（RAM）：內(nèi)存中最重要的一種，表示既可以從中讀取數(shù)據(jù)，也可以寫入數(shù)據(jù)。當(dāng)機(jī) 器關(guān)閉時，內(nèi)存中的信息會丟失。
• 大量的可用資源被劃分為小的部分，這些可用資源的一部分會獲得比其他資源更頻繁的使用權(quán)，緩存經(jīng) 常用來提升性能。操作系統(tǒng)無時無刻的不在使用緩存。例如，大多數(shù)操作系統(tǒng)在主機(jī)內(nèi)存中保留（部分）頻繁使用的文件，以避免重復(fù)從磁盤重復(fù)獲取。舉個例子，類似于/home/ast/projects/minix3/src/kernel/clock.c這樣的場路徑名轉(zhuǎn)換成的文件所在磁盤地址 的結(jié)果也可以保存緩存中，以避免重復(fù)尋址。另外，當(dāng)一個Web頁面（URL）的地址轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)地址（IP 地址）后，這個轉(zhuǎn)換結(jié)果也可以緩存起來供將來使用。

在任何緩存系統(tǒng)中，都會有下面這幾個噬需解決的問題

• -何時把新的內(nèi)容放進(jìn)緩存
• -把新的內(nèi)容應(yīng)該放在緩存的哪一行
• -在需要空閑空間時，應(yīng)該把哪塊內(nèi)容從緩存中移除
• -應(yīng)該把移除的內(nèi)容放在某個較大存儲器的何處

并不是每個問題都與每種緩存情況有關(guān)。對于CPU緩存中的主存緩存行，當(dāng)有緩存未命中時，就會調(diào) 入新的內(nèi)容。通常通過所引用內(nèi)存地址的高位計(jì)算應(yīng)該使用的緩存行。

• 緩存是解決問題的一種好的方式，所以現(xiàn)代CPU設(shè)計(jì)了兩種緩存。第一級緩存或者說是L1 cache 總是位于CPU內(nèi)部，用來將已解碼的指令調(diào)入CPU的執(zhí)行引擎。對于那些頻繁使用的關(guān)鍵字，多數(shù) 芯片有第二個L1 cache。典型的L1 cache的大小為16 KB。另外，往往還設(shè)有二級緩存，也就是L2 cache，用來存放最近使用過的關(guān)鍵字，一般是兆字節(jié)為單位。L1 cache和L2 cache最大的不 同在于是否存在延遲。訪問L1 cach e沒有任何的延遲，然而訪問L2 cache會有1 - 2個時鐘周期的 延后。

什么是時鐘周期？

• 計(jì)算機(jī)處理器或CPU的速度由時鐘周期來確定，該時鐘周期是振蕩器兩個脈沖 之間的時間量。一般而言，每秒脈沖數(shù)越高，計(jì)算機(jī)處理器處理信息的速度就越快。時鐘速度以 Hz為單位測量，通常為兆赫（MHz）或千兆赫（GHz）。例如，一個4 GHz處理器每秒執(zhí)行 4,000,000,000個時鐘周期。
• 計(jì)算機(jī)處理器可以在每個時鐘周期執(zhí)行一條或多條指令，這具體取決于處理器的類型。早期的計(jì)算機(jī)處理器和較慢的CPU在每個時鐘周期只能執(zhí)行一條指令，而現(xiàn)代處理器在每個時鐘周期可以 執(zhí)行多條指令。

主存

• 在上面的層次結(jié)構(gòu)中再下一層是主存，這是內(nèi)存系統(tǒng)的主力軍，主存通常叫做RAM(Random Access Memory)，由于1950年代和1960年代的計(jì)算機(jī)使用微小的可磁化鐵氧體磁芯作為主存儲器，因此舊時有時將其稱為核心存儲器。所有不能再高速緩存中得到滿足的內(nèi)存訪問請求都會轉(zhuǎn)往主存中。
• 除了主存之外，許多計(jì)算機(jī)還具有少量的非易失性隨機(jī)存取存儲器。它們與RAM不同，在電源斷電后，非易失性隨機(jī)訪問存儲器并不會丟失內(nèi)容。ROM(Read Only Memory)中的內(nèi)容一旦存儲后就不 會再被修改。它非常快而且便宜。(如果有人問你，有沒有什么又快又便宜的內(nèi)存設(shè)備，那就是ROM 了)在計(jì)算機(jī)中，用于啟動計(jì)算機(jī)的引導(dǎo)加載模塊(也就是bootstrap )就存放在ROM中。另外，一 些I/O卡也采用ROM處理底層設(shè)備控制。
• EEPROM(Electrically Erasable PROM,)和閃存(flash memory)也是非易失性的，但是與 ROM相反，它們可以擦除和重寫。不過重寫它們需要比寫入RAM更多的時間，所以它們的使用方式 與ROM相同，但是與ROM不同的是他們可以通過重寫字段來糾正程序中出現(xiàn)的錯誤。
• 閃存也通常用來作為便攜性的存儲媒介。閃存是數(shù)碼相機(jī)中的膠卷，是便攜式音樂播放器的磁盤。閃存 的速度介于RAM和磁盤之間。另外，與磁盤存儲器不同的是，如果閃存擦除的次數(shù)太多，會出現(xiàn)磨損。
• 還有一類是CMOS,它是易失性的。許多計(jì)算機(jī)都會使用CMOS存儲器保持當(dāng)前時間和日期。

磁盤

• 下一個層次是磁盤（硬盤），磁盤同RAM相比，每個二進(jìn)制位的成本低了兩個數(shù)量級，而且經(jīng)常也有兩個數(shù)量級大的容量。磁盤唯一的問題是隨機(jī)訪問數(shù)據(jù)時間大約慢了三個數(shù)量級。磁盤訪問慢的原因是因?yàn)榇疟P的構(gòu)造不同

磁盤驅(qū)動器的構(gòu)造

• 磁盤是一種機(jī)械裝置，在一個磁盤中有一個或多個金屬盤片，它們以5400rpm、7200rpm、10800rpm 或更高的速度旋轉(zhuǎn)。從邊緣開始有一個機(jī)械臂懸橫在盤面上，這類似于老式播放塑料唱片33轉(zhuǎn)唱機(jī)上 的拾音臂。信息會寫在磁盤一系列的同心圓上。在任意一個給定臂的位置，每個磁頭可以讀取一段環(huán)形區(qū)域，稱為磁道(track)。把一個給定臂的位置上的所有磁道合并起來，組成了一個柱面 (cylinder),,,

• 每個磁道劃分若干扇區(qū)，扇區(qū)的值是512字節(jié)。在現(xiàn)代磁盤中，較外部的柱面比較內(nèi)部的柱面有更多的扇區(qū)。機(jī)械臂從一個柱面移動到相鄰的柱面大約需要1ms。而隨機(jī)移到一個柱面的典型時間為5ms至10ms，具體情況以驅(qū)動器為準(zhǔn)。一旦磁臂到達(dá)正確的磁道上，驅(qū)動器必須等待所需的扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭之下，就開始讀寫，低端硬盤的速率是50MB/S，而高速磁盤的速率是160MB/S。
• 需要注意，固態(tài)硬盤(SolidStateDisk,SSD)不是磁盤，固態(tài)硬盤并沒有可以移動的部分，外形也不像唱片，并且數(shù)據(jù)是存儲在存儲器(閃存)中，與磁盤唯一的相似之處就是它也存儲了大量即使在電源關(guān)閉也不會丟失的數(shù)據(jù)。
• 許多計(jì)算機(jī)支持一種著名的虛擬內(nèi)存機(jī)制，這種機(jī)制使得期望運(yùn)行的存儲空間大于實(shí)際的物理存儲空間。其方法是將程序放在磁盤上，而將主存作為一部分緩存，用來保存最頻繁使用的部分程序，這種機(jī)制需要快速映像內(nèi)存地址，用來把程序生成的地址轉(zhuǎn)換為有關(guān)字節(jié)在RAM中的物理地址。這種映像由CPU中的一個稱為存儲器管理單元(MMU)的部件來完成。

• 緩存和MMU的出現(xiàn)是對系統(tǒng)的性能有很重要的影響，在多道程序系統(tǒng)中，從一個程序切換到另一個程序的機(jī)制稱為上下文切換(contextswitch)，對來自緩存中的資源進(jìn)行修改并把其寫回磁盤是很有必要的。

I/O設(shè)備

• CPU和存儲器不是操作系統(tǒng)需要管理的全部，I/O設(shè)備也與操作系統(tǒng)關(guān)系密切。可以參考上面這個圖片，I/O設(shè)備一般包括兩個部分：設(shè)備控制器和設(shè)備本身。控制器本身是一塊芯片或者一組芯片，它能夠控制物理設(shè)備。它能夠接收操作系統(tǒng)的指令，例如，從設(shè)備中讀取數(shù)據(jù)并完成數(shù)據(jù)的處理。打印機(jī)接收用戶輸入的命令，打印文章
• 在許多情況下，實(shí)際控制設(shè)備的過程是非常復(fù)雜而且存在諸多細(xì)節(jié)。因此控制器的工作就是為操作系統(tǒng)提供一個更簡單(但仍然非常復(fù)雜)的接口。也就是屏蔽物理細(xì)節(jié)。任何復(fù)雜的東西都可以加一層代理來解決，這是計(jì)算機(jī)或者人類社會很普世的一個解決方案
• I/O設(shè)備另一部分是設(shè)備本身，設(shè)備本身有一個相對簡單的接口，這是因?yàn)榻涌诩炔荒茏龊芏喙ぷ?#xff0c;而且也已經(jīng)被標(biāo)準(zhǔn)化了。例如，標(biāo)準(zhǔn)化后任何一個SATA磁盤控制器就可以適配任意一種SATA磁盤，所以標(biāo)準(zhǔn)化是必要的。ATA代表高級技術(shù)附件(ATAttachment)，而SATA表示串行高級技術(shù)附件(SerialATA)。
• AT是啥？它是舊M公司的第二代個人計(jì)算機(jī)的高級技術(shù)成果，使用1984年推出的6MHz80286處理器，這個處理器是當(dāng)時最強(qiáng)大的。現(xiàn)在SATA是很多計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)硬盤接口。由于實(shí)際的設(shè)備接口隱藏在控制器中，所以操作系統(tǒng)看到的是對控制器的接口，這個接口和設(shè)備接口有很大區(qū)別。操作系統(tǒng)通過操控控制器接口操控設(shè)備接口。
• 每種類型的設(shè)備控制器都是不同的，所以需要不同的軟件進(jìn)行控制。專門與控制器進(jìn)行信息交流，發(fā)出命令處理指令接收響應(yīng)的軟件，稱為設(shè)備驅(qū)動程序(devicedriver)。每個控制器廠家都應(yīng)該針對不同的操作系統(tǒng)提供不同的設(shè)備驅(qū)動程序。為了使設(shè)備驅(qū)動程序能夠工作，必須把它安裝在操作系統(tǒng)中，這樣能夠使它在內(nèi)核態(tài)中運(yùn)行。

要將設(shè)備驅(qū)動程序裝入操作系統(tǒng)，一般有三個途徑

第一個途徑是將內(nèi)核與設(shè)備啟動程序重新連接，然后重啟系統(tǒng)。這是UNIX系統(tǒng)采用的工作方式

第二個途徑是在一個操作系統(tǒng)文件中設(shè)置一個入口，通知該文件需要一個設(shè)備驅(qū)動程序，然后重新啟動系統(tǒng)。在重新系統(tǒng)時，操作系統(tǒng)回尋找有關(guān)的設(shè)備啟動程序并把它裝載，這是Windows采用的工作方式

第三個途徑是操作系統(tǒng)能夠在運(yùn)行時接收新的設(shè)備驅(qū)動程序并立刻安裝，無需重啟操作系統(tǒng)，這種方式采用的少，但是正變得普及起來。熱插拔設(shè)備，比如USB和IEEE1394都需要動態(tài)可裝載的設(shè)備驅(qū)動程序

• 每個設(shè)備控制器都有少量用于通信的寄存器，例如，一個最小的磁盤控制器也會有用于指定磁盤地址、內(nèi)存地址、扇區(qū)計(jì)數(shù)的寄存器。要激活控制器，設(shè)備驅(qū)動程序會從操作系統(tǒng)獲取一條指令，然后翻譯成對應(yīng)的值，并寫入設(shè)備寄存器中，所有設(shè)備寄存器的結(jié)合構(gòu)成了I/O端口空間。
• 在一些計(jì)算機(jī)中，設(shè)備寄存器會被映射到操作系統(tǒng)的可用地址空間，使他們能夠向內(nèi)存一樣完成讀寫操作。在這種計(jì)算機(jī)中，不需要專門的I/O指令，用戶程序可以被硬件阻擋在外，防止其接觸這些存儲器地址(例如，采用基址寄存器和變址寄存器)。在另一些計(jì)算機(jī)中，設(shè)備寄存器被放入一個專門的I/O端口空間，每個寄存器都有一個端口地址。在這些計(jì)算機(jī)中，特殊的IN和OUT指令會在內(nèi)核態(tài)下啟用，它能夠允許設(shè)備驅(qū)動程序和寄存器進(jìn)行讀寫。前面第一種方式會限制特殊的I/O指令但是允許一些地址空間；后者不需要地址空間但是需要特殊的指令，這兩種應(yīng)用都很廣泛。

實(shí)現(xiàn)輸入和輸出的方式有三種

• 在最簡單的方式中，用戶程序會發(fā)起系統(tǒng)調(diào)用，內(nèi)核會將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)驅(qū)動程序的程序調(diào)用，然后設(shè)備驅(qū)動程序啟動I/O并循環(huán)檢查該設(shè)備，看該設(shè)備是否完成了工作(一般會有一些二進(jìn)制位用來指示設(shè)備仍在忙碌中)。當(dāng)I/O調(diào)用完成后，設(shè)備驅(qū)動程序把數(shù)據(jù)送到指定的地方并返回。然后操作系統(tǒng)會將控制權(quán)交給調(diào)用者。這種方式稱為忙等待(busywaiting)，這種方式的缺點(diǎn)是要一直占據(jù)CPU,CPU會一直輪詢I/O設(shè)備直到I/O操作完成。

• 第二種方式是設(shè)備驅(qū)動程序啟動設(shè)備并且讓該設(shè)備在操作完成時發(fā)生中斷。設(shè)備驅(qū)動程序在這個時刻返回。操作系統(tǒng)接著在需要時阻塞調(diào)用者并安排其他工作進(jìn)行。當(dāng)設(shè)備驅(qū)動程序檢測到該設(shè)備操作完成時，它發(fā)出一個中斷通知操作完成。

中斷

• 啟動設(shè)備并發(fā)出中斷的過程
• 如上圖所示，這是一個三步的I/O過程，第一步，設(shè)備驅(qū)動程序會通過寫入設(shè)備寄存器告訴控制器應(yīng)該做什么。然后，控制器啟動設(shè)備。當(dāng)控制器完成讀取或?qū)懭氡桓嬷枰獋鬏數(shù)淖止?jié)后，它會在步驟2中使用某些總線向中斷控制器發(fā)送信號。如果中斷控制器準(zhǔn)備好了接收中斷信號（如果正忙于一個優(yōu)先級較高的中斷，則可能不會接收），那么它就會在CPU的一個引腳上面聲明。這就是步驟3
• 在第四步中，中斷控制器把該設(shè)備的編號放在總線上，這樣CPU可以讀取總線，并且知道哪個設(shè)備完成了操作（可能同時有多個設(shè)備同時運(yùn)行）。
• 一旦CPU決定去實(shí)施中斷后，程序計(jì)數(shù)器和PSW就會被壓入到當(dāng)前堆棧中并且CPU會切換到內(nèi)核態(tài)。設(shè)備編號可以作為內(nèi)存的一個引用，用來尋找該設(shè)備中斷處理程序的地址。這部分內(nèi)存稱作中斷向量(interruptvector)。一旦中斷處理程序(中斷設(shè)備的設(shè)備驅(qū)動程序的一部分)開始后，它會移除棧中的程序計(jì)數(shù)器和PSW寄存器，并把它們進(jìn)行保存，然后查詢設(shè)備的狀態(tài)。在中斷處理程序全部完成后，它會返回到先前用戶程序尚未執(zhí)行的第一條指令，這個過程如下

中斷過程

• 實(shí)現(xiàn)I/O的第三種方式是使用特殊的硬件：直接存儲器訪問(DirectMemoryAccess,DMA)芯片。它可以控制內(nèi)存和某些控制器之間的位流，而無需CPU的干預(yù)。CPU會對DMA芯片進(jìn)行設(shè)置，說明需要傳送的字節(jié)數(shù)，有關(guān)的設(shè)備和內(nèi)存地址以及操作方向。當(dāng)DMA芯片完成后，會造成中斷，中斷過程就像上面描述的那樣。
• 當(dāng)另一個中斷處理程序正在運(yùn)行時，中斷可能(并且經(jīng)常)發(fā)生在不合宜的時間。因此，CPU可以禁用中斷，并且可以在之后重啟中斷。在CPU關(guān)閉中斷后，任何已經(jīng)發(fā)出中斷的設(shè)備，可以繼續(xù)保持其中斷信號處理，但是CPU不會中斷，直至中斷再次啟用為止。如果在關(guān)閉中斷時，已經(jīng)有多個設(shè)備發(fā)出了中斷信號，中斷控制器將決定優(yōu)先處理哪個中斷，通常這取決于事先賦予每個設(shè)備的優(yōu)先級，最高優(yōu)先級的設(shè)備優(yōu)先贏得中斷權(quán)，其他設(shè)備則必須等待。

總線

• 個人計(jì)算機(jī)的組件圖在小型計(jì)算機(jī)已經(jīng)使用了多年，并用在早期的舊MPC中。然而，隨著處理器核內(nèi)存變得越來越快，單個總線處理所有請求的能力也達(dá)到了上線，其中也包括舊MPC總線。必須放棄使用這種模式。其結(jié)果導(dǎo)致了其他總線的出現(xiàn)，它們處理I/O設(shè)備以及CPU到存儲器的速度都更快。這種演變的結(jié)果導(dǎo)致了下面這種結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)。

• —個大型的x86系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如上圖中的x86系統(tǒng)包含很多總線，高速緩存、內(nèi)存、PCIe、PCI、USB、SATA和DMI,每條總線都有不同的傳輸速率和功能。操作系統(tǒng)必須了解所有的總線配置和管理。其中最主要的總線是PCIe(PeripheralComponentInterconnectExpress)總線。
• Intel發(fā)明的PCIe總線也是作為之前古老的PCI總線的繼承者，而古老的PCI總線也是為了取代古董級別的ISA(IndustryStandardArchitecture)總線而設(shè)立的。數(shù)十Gb/s的傳輸能力使得PCIe比它的前身快很多，而且它們本質(zhì)上也十分不同。直到發(fā)明PCIe的2004年，先前大多數(shù)總線都是并行且共享的。共享總線架構(gòu)(sharedbusarchiteture)表示多個設(shè)備使用一些相同的電線傳輸數(shù)據(jù)。因此，當(dāng)多個設(shè)備同時發(fā)送數(shù)據(jù)時，此時你需要一個決策者來決定誰能夠使用總線。而PCIe則不—樣，它使用專門的端到端鏈路。傳統(tǒng)PCI中使用的并行總線架構(gòu)表示通過多條電線發(fā)送相同的數(shù)據(jù)字。例如，在傳統(tǒng)的PCI總線上，一個32位數(shù)據(jù)通過32條并行的電線發(fā)送。而PCIe則不同，它選用了串行總線架構(gòu)(serialbusarchitecture)，并通過單個連接(稱為通道)發(fā)送消息中的所有比特?cái)?shù)據(jù)，就像網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包一樣。這樣做會簡化很多，因?yàn)椴辉俅_保所有32位數(shù)據(jù)在同一時刻準(zhǔn)確到達(dá)相同的目的地。通過將多個數(shù)據(jù)通路并行起來，并行性仍可以有效利用。例如，可以使用32條數(shù)據(jù)通道并行傳輸32條消息。
• 在上圖結(jié)構(gòu)中，CPU通過DDR3總線與內(nèi)存對話，通過PCIe總線與外圍圖形設(shè)備(GPU)對話，通過DMI(DirectMediaInterface)總線經(jīng)集成中心與所有其他設(shè)備對話。而集成控制中心通過串行總線與USB設(shè)備對話，通過SATA總線與硬盤和DVD驅(qū)動器對話，通過PCIe傳輸以太網(wǎng)絡(luò)幀。
• 不僅如此，每一個核USB(UnivversalSerialBus)是用來將所有慢速I/O設(shè)備(比如鍵盤和鼠標(biāo))與計(jì)算機(jī)相連的設(shè)備。USB1.0可以處理總計(jì)12Mb/s的負(fù)載，而USB2.0將總線速度提高到480Mb/s，而USB3.0能達(dá)到不小于5Gb/s的速率。所有的USB設(shè)備都可以直接連接到計(jì)算機(jī)并能夠立刻開始工作，而不像之前那樣要求重啟計(jì)算機(jī)。
• SCSI（SmallComputerSystemInterface）總線是一種高速總線，用在高速硬盤，掃描儀和其他需要較大帶寬的設(shè)備上。現(xiàn)在，它們主要用在服務(wù)器和工作站中，速度可以達(dá)到640MB/S。

計(jì)算機(jī)啟動過程

• 那么有了上面一些硬件再加上操作系統(tǒng)的支持，我們的計(jì)算機(jī)就可以開始工作了，那么計(jì)算機(jī)的啟動過程是怎樣的呢？下面只是一個簡要版的啟動過程
• 在每臺計(jì)算機(jī)上有一塊雙親板，也就是母板，母板也就是主板，它是計(jì)算機(jī)最基本也就是最重要的部件之一。主板一般為矩形電路板，上面安裝了組成計(jì)算機(jī)的主要電路系統(tǒng)，一般有BIOS芯片、I/O控制芯片、鍵盤和面板控制開關(guān)接口、指示燈插接件、擴(kuò)充插槽、主板及插卡的直流電源供電接插件等元件。
• 在母板上有一個稱為基本輸入輸出系統(tǒng)（BasicInputOutputSystem,BIOS）的程序。在BIOS內(nèi)有底層I/O軟件，包括讀鍵盤、寫屏幕、磁盤I/O以及其他過程。如今，它被保存在閃存中，它是非易失性的，但是當(dāng)BIOS中發(fā)現(xiàn)錯誤時，可以由操作系統(tǒng)進(jìn)行更新。
• 在計(jì)算機(jī)啟動（booted）時，BIOS開啟，它會首先檢查所安裝的RAM的數(shù)量，鍵盤和其他基礎(chǔ)設(shè)備是否已安裝并且正常響應(yīng)。接著，它開始掃描PCIe和PCI總線并找出連在上面的所有設(shè)備。即插即用的設(shè)備也會被記錄下來。如果現(xiàn)有的設(shè)備和系統(tǒng)上一次啟動時的設(shè)備不同，則新的設(shè)備將被重新配置。然后BIOS通過嘗試存儲在CMOS存儲器中的設(shè)備清單嘗試啟動設(shè)備
• CMOS是ComplementaryMetalOxideSemiconductor（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）的縮寫。它是指制造大規(guī)模集成電路芯片用的一種技術(shù)或用這種技術(shù)制造出來的芯片，是電腦主板上的一塊可讀寫的RAM芯片。因?yàn)榭勺x寫的特性，所以在電腦主板上用來保存BIOS設(shè)置完電腦硬件參數(shù)后的數(shù)據(jù)，這個芯片僅僅是用來存放數(shù)據(jù)的。而對BIOS中各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定要通過專門的程序。BIOS設(shè)置程序一般都被廠商整合在芯片中，在開機(jī)時通過特定的按鍵就可進(jìn)入BIOS設(shè)置程序，方便地對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置。因此BIOS設(shè)置有時也被叫做CMOS設(shè)置。
• 用戶可以在系統(tǒng)啟動后進(jìn)入一個BIOS配置程序，對設(shè)備清單進(jìn)行修改。然后，判斷是否能夠從外部CD-ROM和USB驅(qū)動程序啟動，如果啟動失敗的話（也就是沒有），系統(tǒng)將從硬盤啟動，boots設(shè)備中的第一個扇區(qū)被讀入內(nèi)存并執(zhí)行。該扇區(qū)包含一個程序，該程序通常在引導(dǎo)扇區(qū)末尾檢查分區(qū)表以確定哪個分區(qū)處于活動狀態(tài)。然后從該分區(qū)讀入第二個啟動加載程序，該加載器從活動分區(qū)中讀取操作系統(tǒng)并啟動它。
• 然后操作系統(tǒng)會詢問BIOS獲取配置信息。對于每個設(shè)備來說，會檢查是否有設(shè)備驅(qū)動程序。如果沒有，則會向用戶詢問是否需要插入CD-ROM驅(qū)動（由設(shè)備制造商提供）或者從Internet上下載。一旦有了設(shè)備驅(qū)動程序，操作系統(tǒng)會把它們(設(shè)備驅(qū)動程序)加載到內(nèi)核中，然后初始化表，創(chuàng)建所需的后臺進(jìn)程，并啟動登錄程序或GUI。

總結(jié)

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