作業系統學習筆記(一) 計算機系統概述

2022-04-11 17:22:27 字數 1947 閱讀 9457

1.計算機系統主要由四個基礎部分組成:處理器、儲存器、輸入輸出(io)模組和系統匯流排。

處理器:控制計算機的操作,執行資料的處理,通常指cpu。在處理中含有暫存器,暫存器相對記憶體來說容量很小,但訪問速度相當快,可以用來暫存指令和資料等。暫存器有多種不同的分類。如位址暫存器和指令暫存器等。位址暫存器存放下一步需要從儲存器中讀取的儲存器位址,指令暫存器訪問當前正在執行的程式指令。

儲存器:分為記憶體和外存。主要用於儲存資料和程式,通常都是易失的(計算機關機後資料丟失),因此也是資料臨時性的存放場所。

輸入輸出模組:在計算機和外部環境之間移動資料,外部環境包括各種裝置(如硬碟、磁碟和各種終端等)。輸入模組是把人們所熟悉的某種資訊形式變換為及其內部所能接收和識別的二進位制資訊形式。輸出裝置把計算機處理結果變化為人和其他機器裝置所能接收和識別的資訊形式。注意:io模組也可以直接和處理器交換資料。也可以直接與記憶體交換資料,此時,io模組對儲存器發出讀命令或寫命令,從而免去了處理器負責資料交換的任務。這種操作叫做直接記憶體儲存(dma)。

系統匯流排:是計算機系統各部件之間進行資料傳送的公共通路。

2.指令的執行

在不考慮中斷的情況下,指令的執行包括兩個階段:處理器從儲存器中取指令階段和處理器執行指令階段。去取指令階段和執行指令階段構成乙個指令週期。暫存器中的程式計算器儲存下一次要取的指令位址,每次取到的指令放在指令暫存器,處理器解釋指令並執行對應的操作。

中斷:中斷是處理器中斷當前正在執行的程式指令,是其他模組(io模組、儲存器)中斷處理器正常處理過程的機制。主要目的是提高處理器的效率。原因是因為其他模組在執行過程中比處理器慢很多,導致在處理器在執行過程中如果遇到與其他的模組進行互動(因為其他模組可能需要進行自己的特有某些操作,如印表機列印操作過程中,此時是不需要處理器在一直處理等待狀態的...),有很長時間實際上是處於等待狀態而未得到充分利用。

中斷請求:是其他模組向處理器傳送的用於希望處理器中斷當預處理器正在執行的指令,轉而執行此外部模組的中斷程式,並且處理器負責將正在執行的程式掛起。當中斷處理完成後,處理器恢復執行。

考慮到中斷階段,指令的執行週期變為了取指令階段、執行階段和中斷階段。

3. 中斷處理流程:

其他模組設別控制器或其他系統硬體產生乙個中斷訊號給處理器 >> 處理器結束當前指令的執行 >> 處理器傳送中斷應答訊號 >> 處理器將程式狀態字和程式計數器壓入控制棧 >> 根據中斷,處理器載入新的程式計數器 >> 儲存剩餘的處理狀態資訊 >> 處理器處理中斷程式 >> 中斷處理完成後,處理器恢復處理狀態資訊 >> 處理器恢復老的程式狀態字和程式計算器 >> 處理器繼續執行原來的程式指令

4. 儲存器的儲存結構

儲存器的設計主要要在三個方面做出協調:容量、速度和**。儲存器的層次結構是依據區域性性原理:處理器訪問儲存器時,無論是訪問指令還是訪問資料,所訪問的儲存單元都趨於聚集在乙個較小的連續單元中。也就是說位於被訪問字附件的資料在近期被訪問到的概率比較大。區域性性又包括三種不同的型別:時間區域性性——如果乙個資訊項正在被訪問,那麼在近期它很可能還會被再次訪問。空間區域性性——在最近和將來用到的資訊很可能與現在使用的資訊在空間商位址上是臨近的。順序區域性性——在典型程式中,除轉移類指令外,大部分指令是順序執行的。

典型的儲存器的層次結構如下圖:

二級儲存器:與一級儲存器相對,二級儲存器是外部的非易失性,外部的或可移動的。二級儲存裝置容量上更大,讀取更慢但相對更便宜。

快取記憶體:介於處理器和記憶體中間的高速小容量的儲存器,和記憶體一起構成一級儲存器。快取記憶體儲存器和記憶體之間的資訊排程和傳送是由硬體自動進行的。快取記憶體有時也分為一級快取記憶體、二級快取記憶體...每級快取記憶體都比前一級訪問速度慢但容量大。快取記憶體是為了解決處理器處理速度遠快於記憶體的速度而出現的,其基本原理還是區域性性原理。快取記憶體包含一部分記憶體資料的副本,此後處理器讀取資料時,首先從快取記憶體中判斷是否存在,若有則直接從快取記憶體中傳送過去,若沒有則從記憶體中以一定長度的塊資料先讀入快取記憶體,然後再從快取記憶體中傳到處理器。

一 計算機系統漫遊

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