作業系統基礎知識
1、計算機構架
硬體（未加任何修飾的裝置）—–> 軟體（抽象易於接受的介面）即作業系統 ——-> 系統呼叫（開發應用程式）過於底層，比硬體介面易於使用 —–> 公共功能抽取出來形成了庫稱為api （系統應用程式設計介面）
使用者態：執行在使用者空間，不需要核心執行特權操作，環0
核心態：執行系統空間的，需要呼叫核心完成特卻操作，環3。
2、計算機發展
第一代：真空管，穿孔卡片
第二代：電晶體，批處理系統
mainframe
fortran
批處理：多個程式穿行執行。
第三代：積體電路，多道程式設計，time sharing 分時系統出現。
多道程式：監控程式，程序級概念。
***：pc
lsi：大規模積體電路。電晶體密度已經很高，肉眼看不見了—–> cp/m 1974
3、計算機幾大主件
cpu主要功能：從記憶體中取到指令、解碼、執行
cpu三元件：
1、取指單元
2、解碼單元
3、執行單元
乙個晶元來完成，多級流水線完成。
暫存器：跟cpu速度相等。
（1、）臨時程式取來後存放位置—–>暫存器
（2、）執行的位置——->指令計數器，執行完一條指令就只想下一條指令的位置。
mmu：記憶體控制單元，星型系統才有的元件。目的讓記憶體分頁。memory page，page table就放這裡的。
memory：記憶體
vga ：圖形顯示
kb ：鍵盤
hd c：硬碟控制器
匯流排：連線mmu、memory、vga、kb、hdc等
4、cpu與記憶體如何工作的
執行的程式**例項就是程序。
程序切換：儲存現場、恢復現場—–>上下文切換
記憶體為每個程序維護乙個：task struck （核心使用）
cpu主要調優：cpu程序的親源性
cpu頻率很難超過4g，即便突破也很難繼續18個月發展。——> 多核心超執行緒
超執行緒即多執行緒：讓乙個cpu能夠在兩個不同的執行緒間切換，cpu內部引入乙個獨特的暫存器裝置，乙個cpu核心 能執行執行緒。
i3兩個物理邏輯核心4個。
cpu頻率：一秒鐘完成多少次操作。3g=3*1024*1024*1024
5、執行緒與執行緒
乙個程序跑在多個cpu上—–>劃分多個並行執行流——>每乙個執行流做成乙個執行緒。
弊端：1、乙個執行緒需要另乙個執行緒的結果
2、執行緒共享程序開啟的資源，乙個執行緒需要使用另乙個執行緒正在使用的資源。
程式設計師需要充分考慮這樣帶來的效能的瓶頸。
程序繫結：—->提高快取命中率
1、排程也依然是程序級別的，快取難以命中。
2、核心管理程序佇列1秒鐘rebalanced一次。
6、快取記憶體等
多cpu每顆多核： smp
cpu 插槽：cpu socket
伺服器：使用記憶體匯流排直接與cpu相連
北橋：pci-e網絡卡
cpu速度快於memory，加入快取。
程式區域性性原理：
空間區域性性：乙個資料被訪問到後，離這個很近的其它資料也可能會很快訪問。
時間區域性性：乙個剛執行的程式或者資料很快會再次被訪問到
機械硬碟—-> 固態硬碟 —-> 記憶體 —-> **快取 —–> 二級快取 —–> 一級快取 —–> 暫存器
1、2級快取在核心中 3級快取多核心公用。
多顆cpu爭用：numa 非一直記憶體訪問：每顆cpu都自己的專用的外部記憶體空間（可以理解為自己獨有的**快取一樣）這個記憶體沒有才到外部共享記憶體空間去取。
乙個程序的資料在第一顆cpu自己專用記憶體空間裡，被rebanlance到第二顆cpu，這中間需要時間。造成效能降低，得做cpu繫結。
7、同步問題處理方式
為了保證資料盡快儲存到記憶體：
write through： 一直等到寫入到記憶體才能做其它事情。
write back：寫到一級快取就可以繼續做其它事情。
記憶體資料寫入硬碟也是先寫入硬碟快取中，回寫完成。
記憶體資料寫入硬碟，寫入硬碟快取，再寫到硬碟上，通寫完成。
cpu快取n路關聯與調優關係不大，n-way associate。完全關聯效能好，但是造價高。
8、io裝置的部分：裝置控制器和裝置本身
（1）控制器：整合在主機板上的一塊晶元或一組晶元，接受乙個作業系統命令轉化為實際操作。
裝置本身：ide、sata等，把指令轉化為硬體操作
（2）驅動程式：通常應該由裝置生產商；位於核心中
（3）每個控制器都有少量的用於通訊的暫存器，每個暫存器表現為乙個i/o埠；
（4）最小化的磁碟控制器都有最指定磁碟位址、扇區位址，寫入或者讀取的儲存空間也就是暫存器，整合在控制器內部的，驅動程式獲得作業系統獲得命令然後翻譯成對裝置的基本操作，並放置在對應裝置的暫存器上。
（5）所有的暫存器組合成為裝置的io位址空間；cpu通過匯流排io埠與裝置打交道的位址。
（6）io裝置位址每次開機都不同，除少量總所周知位址（鍵盤）。
9、io排程
實現輸入、輸出：
三種方式：
1、輪詢：忙等待；使用者程式發起乙個系統呼叫，核心將其翻譯程乙個裝置驅動的過程呼叫，然後裝置驅動程式啟動i/o，並在固定週期內遍歷檢查是每個i/o否有資料。
2、中斷：中斷向量，中斷號，如果i/o裝置能發出通知，終斷cpu正在執行的操作，並讓cpu通知核心獲取中斷請求。通常有個可程式設計中斷控制器，每個i/o裝置啟動向中斷控制器申請乙個中斷相量。當這個i/o裝置有資料到達時，立即向中斷裝置控制器
發中斷請求，中斷控制器通過中斷相量判斷是那個i/o裝置發出的中斷，通過匯流排通知cpu讀取那個i/o埠的資料，cpu觸發中斷切換，由核心發出指令獲取其中斷請求，並獲取請求的資料。
網絡卡都有自己的傳送、接受緩衝，當乙個資料報到達網絡卡是網絡卡把資料報收到自己的接收緩衝中，並發出乙個中斷請求。核心開始處理中斷，發現是可以接受的資料，於是就把資料報放到了核心的緩衝區中。
核心處理中斷分為兩步：
中斷上半部、中斷的下半部
上半部：把資料報緩衝到核心緩衝區的過程。（立即處理）
下半部：真正處理這個資料報的程序是下半部。（未必）
3、dma：直接記憶體訪問，i/o自帶的智慧型晶元。cpu告訴dma匯流排讓你使用，並提供一大段記憶體空間供你使用，dma讀完資料後，再次發出中斷請求，通知cpu資料已經讀取完畢。cpu通知核心資料已經讀取完畢，現在大多數平凡使用的i/o都帶有dma晶元。
cpu控制器控制匯流排使用（一根匯流排三種功能）：
1、位址匯流排：完成對應裝置定址的
2、控制匯流排：控制各裝置協調的
3、資料匯流排：完成資料傳輸
10、os:
cpu: 時間片，time slice
memory: 虛擬位址空間
cpu字長，32bit位址匯流排，能表示2的32次方 4g位元組 1024* 1024* 1024 64bit 1024*1024*1024 *４
３２個０ －－３２個１
os在ram中就在低位址空間
os在rom中os就在高位址空間
os在ram中就在低位址空間，rom驅動在高位址空間
memory：引入虛擬位址空間。
i/o：檔案
11、程序：task struct
（1）核心為每個程序維護的乙個資料結構，通過乙個鍊錶的形式。專門有儲存cpu暫存器狀態資料cpu把記憶體切割為頁框（page frame）4g 1024* 1024=1m
（2）**段–靜態變數（資料段）—堆—-共享庫（對映）—-棧
堆：開啟的檔案，檔案的資料流
棧：申明的變數
資料段：靜態全域性變數
（3）對程序來說4k是乙個頁面，對於物理記憶體來說4k就是乙個頁框
（4）虛擬的記憶體是連續，而實際儲存的物理記憶體是離散的。每個程序的線性位址空間被對映到了物理記憶體位址空間
12、mmu：
（1）當cpu執行乙個程序，那麼程式告訴cpu載入的是線性位址空間，而cpu必須在物理內訪問資料。cpu吧線性位址轉換為實體地址。
（2）每個task stuct 又核心維護乙個頁表。核心分配給程序那些物理記憶體都放在對映表。
（3）cpu就要裝載這個表。每個線性位址轉換為多級對映。計算頁表對映由cpu mmu來完成，當程序切換，mmu也要切換。
（4）當程式告訴cup乙個線性位址，mmu來計算實體地址，然後給cpu取址。在mmu前加快取，先查快取，再查mmu
調優，讓條目少些，4k頁框 改為4m，減少對映條目數提高命中率。這個快取就叫tlb translant look buffeer
程序切換，tlb不被清空。
64bit tlb是實體地址轉換到線性位址。
虛擬化，最好直接虛擬機器轉化到物理。
mmu位址轉換，訪問保護。
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