深入理解计算机系统--笔记

一、计算机体系结构

• 冯·诺依曼体系结构(储存程序型电脑)
  
  1. 采用存储程序方式，指令和数据不加区别混合存储在同一个存储器中。
  2. 不可编程的计算机器（计算器，学习机，非智能手机），不提供API,仅内含固定用途的程序,只能读数据
  3. 存储器是按地址访问的线性编址的一维结构，每个单元的位数是固定的。
  4. 指令由操作码和地址组成。操作码指明本指令的操作类型,地址码指明操作数和地址。操作数本身无数据类型的标志，它的数据类型由操作码确定。
  5. 通过执行指令直接发出控制信号控制计算机的操作。指令在存储器中按其执行顺序存放，由指令计数器指明要执行的指令所在的单元地址。指令计数器只有一个，一般按顺序递增，但执行顺序可按运算结果或当时的外界条件而改变。
  6. 以运算器为中心，I/O设备与存储器间的数据传送都要经过运算器。
  7. 数据以二进制表示。
  8. 顺序执行程序.

• 哈佛结构: 将程序资料与普通数据分开储存，两个硬盘，两个内存…

• CPU(Central Processing Unit)

  1. ALU(Arithmetic and Logic Unit):
     
     • 累加器
     • 状态寄存器
     • 通用寄存器组
  2. CU(Control Unit):
     
     • IR(Instruction Register):存放指令
     • PC(Program Counter):存放下一条指令所在单元的地址
     • ID(Instruction Decoder)指令译码器
     • OC(Operation Controller)
     • 寄存器，高速缓存，数据状态控制总线

二、操作系统

• 操作系统内核，提供三个抽象：

  1. 文件对I/O设备的抽象，字节序列，使得程序统一对待各种I/O设备，包括网络
  2. 虚拟存储器对主存和硬盘的抽象

  3. 进程对处理器的抽象

     • 操作系统在CPU寄存器,主存，I/O设备间拷贝数据，形成了存储层次结构：
  4. CPU寄存器，芯片的高速缓存SRAM–>芯片外的高速缓存SRAM–>主存DRAM–>本地硬盘/网络分布式文件系统。
  5. 拷贝次数越少，越好，netty，零拷贝

三、信息的表示与处理（信息=bit+上下文）

• 大多数用byte作为最小的可寻址存储器单位，比如最小的类型为byte类型。
• virtual memory: 程序把存储器视为一个非常大的字节数组，每个字节都有一个唯一的数字来标识，成为地址(address)
• 所有可能地址的集合称为virtual address sapce
• 字长(word size): 指明整数和指针数据的标称大小(nominal size),虚拟地址以这样的字来编码

• DMA（Direct Memory Access）直接存储

  1. 使得外围设备可以通过DMA控制器直接访问内存，而不需要依于 CPU 的大量中断负载。
  2. DMA控制器
     
     • DMA传输前，CPU要把总线控制权交给DMA控制器，结束后再交回给CPU。
  3. DMA控制器与CPU分时使用内存的三种方式：
     
     • 停止CPU访内存: DMA传输时，CPU闲置，外围I/O存取慢，内存快，得不到充分利用
     • 周期挪用；
     • DMA与CPU交替访内存。
     • 根本原因：四者权衡：I/O设备读写周期，CPU工作周期，内存存取周期，DMA控制权转移。

• 进程：操作系统对运行程序的一种抽象，一个系统上，多个进程都好像独占硬件，称之为并发执行

• context switching: 一个进程的指令和另一个进程的指令交替进行。
• 需要保存进程运行的所有状态信息：PC，寄存器，主存内容
• 虚拟存储器（虚拟存储空间）
• 为每个进程抽象出一个存储器，好像每个进程都独占存储器，