现代操作系统学习笔记-第一章02 – 作者:hu666666-安全小百科

1.3计算机硬件的介绍

我们可以将计算机简单的抽象为，cpu，内存，以及I/O设备都由一条系统总线连接起来并通过系统总线与其他设备进行通信。

1.3.1处理器

1.cpu是计算机的’大脑’，负责从内存取出指令并执行指令。

2.每一个cpu都有一套可执行的专门的指令集。

3.cpu的基本周期为：从内存中取出指令–>指令译码–>确定操作类型和取操作数–>执行指令–>将结果保存

4.其实，cpu的大部分时间并不是用于执行指令，而是用在了访问内存以获得指令和数据，那如何解决该问题？

可以在cpu内部设置寄存器，用于保存关键变量和临时数据(通用寄存器)，还有专用寄存器(程序计数器pc和堆栈指针)

5.操作系统必须知晓所有寄存器，在多路时间复用cpu中，操作系统经常会中止一个正在运行的程序去执行另一个程序，这是操作系统就需要保存所有寄存器中的值，以便下一次正常运行该程序

6.cpu执行指令方式的演变

当一条指令被读取，译码，执行后，才会进行下一条指令的读取—>采用流水线模式—>超标量CPU(cpu被分为多个执行单元，两条及以上的指令被取出，解码并装入缓冲区。一旦有执行单元空闲就会去缓冲区取可处理的指令，并执行。直至缓冲区中的内容被处理完。)

7.大多数cpu具有两种模式(内核态和用户态)。通常，是由PSW中的一个二进制位控制这两种模式。在内核态下，cpu可以执行指令集中的每一条指令，并使用硬件的每一种功能。而用户程序在用户态下，仅允许执行指令集中的一个子集和访问所有功能中的一个子集。

8.为了从操作系统中获得服务，用户程序必须使用系统调用以陷入内核并调用操作系统。TRAP指令就是用于把用户态转换成内核态，并启动操作系统

1.3.2存储器

在理想情况下，存储器应该读取迅速，容量极大，价格便宜，但这几乎是不可能实现的。故存储器采用分层的结构，越上层，速度越快，容量越小，价格越贵。

结构如下(自顶向下)：

第一层：cpu中的寄存器，用与cpu相同的材料制成，和cpu一样快。

第二层：高速缓存，大多数由硬件控制。

第三层：主存，存储器的主力，包含RAM(随机访问存储器)；ROM(只读存储器)，可用于启动计算机的的引导加载模块；EEPROM和闪存；CMOS

1.3.3磁盘

1.3.4I/O设备

1.I/O设备一般包括两个部分：设备控制器和设备本身。控制器是插在电路板上一块或一组芯片，其可以物理的控制设备，为操作系统提供一个简单的接口，屏蔽掉读取和写入数据时，控制器对设备的复杂操作。

2.对于设备本身，其由一个相对简单的接口，该接口既不能做复杂的工作，又已经被标准化了。由于实际的设备接口被隐藏在控制器中，所有操作相同看到的只是对控制器的接口。

3.每类设备控制器都是不同的，所有，需要不同的软件进行控制，专门用于与控制器对话，发出命令并接收响应的软件，称之为设备驱动程序。

4.为了能够使用设备驱动程序，必须将设备驱动程序装入操作系统中，使其可以在内核态下运行。

1.3.5总线

总线用于在不同的设备之间传送数据和消息，相当于人体的神经。

在2004年出现PCIe总线之前，大多数总线采用并行且共享的架构，这种架构表示多台设备使用相同的总线传输数据，但存在一个问题是当多个设备要传输数据时，如何仲裁那个设备先传。

相反，PCIe总线采用串行总线架构，通过一台被称为数据通路的链路传递集合了所有位的一条消息。

1.3.6启动设备

在每台计算机上都有一块双亲板(上有一个称为基本输入输出系统(BIOS)的程序)，这个程序存放在闪速RAM中，具有非易失性，但在发现BIOS中存在错误时可以通过操作系统对其进行修改。

计算机启动时，BIOS开始运行。它首先检测所安装的RAM数量，键盘等基本设备是否已经安装并正常响应。接着开始扫描PCIe和PCI总线并找出连在上面的所有设备。如果现有设备与系统上一次启动时的设备不同，则新设备会被配置。

然后，BIOS通过尝试存储在CMOS存储器中的设备清单决定启动设备。用户可以在系统刚启动的时候进入一个BIOS配置程序，对设备清单进行修改。

最后，操作系统询问BIOS,以获得配置信息。对于每种设备，系统检查对应的驱动程序是否存在。若没有，系统会要求用户插入含该设备驱动程序的CD-ROM或从网络上下载相应的驱动程序。一旦有了全部的设备驱动程序，操作系统就将他们调入内核，然后初始化有关表格，创建需要的任何背景，并在每个终端上启动登录程序或CGI。