计算机系统概述 - youngperson/study-100 GitHub Wiki

一、计算机系统概述

• 基本组成

  • 1.处理器：控制计算机的操作，执行数据处理功能。当只有一个处理器时，它通常指中央处理单元(cpu)。
  • 2.内存：存储数据和程序。此类存储器通常是易失性的，即当计算机估计时，内存器的内容会丢失。相反，磁盘存储器的内容不会丢失。内存通常也称为实存储器或主存储器。
  • 3**.输入/输出模块**：在计算机和外部环境之间移动数据。外部环境由各种外部设备组成，包括辅助存储器设备(硬盘)、通讯设备和终端。
  • 4.系统总线：为处理器、内存和输入/输出模块之间提供通信的设施。

• 处理器寄存器

  • 处理器包含一组寄存器，它们提供一定的存储能力，比内存访问速度快，但比内存的容量小。
  • 用户可见寄存器
    • 优先使用这些寄存器，可以减少使用机器语言或汇编语言的程序员对内存的访问次数。对高级语言而言，由优化编译器负责决定哪些变量应该分配给寄存器，哪些变量应该分配给内存。
  • 控制和状态寄存器
    • 用以控制处理器的操作，且主要被具有特权的操作系统例程使用，以控制程序的执行。

• 指令的执行

  • 指令的处理包括两个步骤：处理器从存储器中一次读（取）一条指令，然后执行每条指令。程序执行是由不断重复的取指令和执行指令的过程组成的。指令执行可能涉及很多操作，这取决于指令自身。
  • 取指令和执行指令
    • 取到的指令被放置在处理器的一个寄存器中，这个寄存器称作指令寄存器。指令中包含确定处理器将要执行的操作的位，处理器解释指令并执行对应的操作。

• I/O函数

  • I/O模块可以直接与处理器交换数据。I/O模块对存储器发出读命令或写命令，从而免去了处理器负责数据交换的任务。这个操作成为直接内存存取(Direct Memory Access，DMA)

• 中断

  • 事实上所有计算机都提供了允许其他模块（I/O、存储器）中断处理器正常处理过程的机制。
  • 程序中断：在某些条件下由指令执行的结果产生，列如算术溢出、除数为0、视图执行一条非法的机器指令以及访问到用户不允许的存储器位置。
  • 时钟中断：由处理器内部的计时器产生，允许操作系统以一定规律执行函数
  • I/O中断：由I/O控制器产生，用于发信号通知一个操作的正常完成或各种错误条件
  • 硬件故障中断：掉电或存储器奇偶错误之类的故障产生

• 中断和指令周期

  • 在中断处理程序中必须执行额外的指令以确定中断的性质，并决定采用适当的操作。然而，如果简单地等待I/O操作的完成将花费更多的诗句，因此使用中断能够有效地使用处理器。

• 中断处理

  • 中断激活了很多事件，包括处理器硬件中的事件以及软件中的事件。

• 多个中断

  • 处理多个中断有两种方法。第一种方法是当正在处理一个中断时，禁止再次发生中断。但是这个没有考虑相对优先级和时间限制的要求。第二种方法是定义中断优先级，允许高优先级的中断打断低优先级的中断处理程序的运行。

• 多道程序设计

  • 即使使用了中断，处理器仍有可能未得到有效的利用，如果完成I/O操作的时间远远大于I/O调用期间用户代码的执行时间，则在大部分时间处理器是空闲的。解决这个问题的方法是允许多道用户程序处于活动状态。

• 存储器的层次结构

  • 存取时间越快，每一个位的价格越高
  • 容量越大，每一个位的价格越低
  • 容量越大，存取速度越慢