淺談計算機系統——引子

提及計算機，先看以下數學模型：

 

針對計算機來講，中間一塊就是CPU中的運算器，那麼咱們的計算機模型應該是這樣：

 

因此才說中央處理器CPU、存儲器（Memory）和輸入/輸出（I/O）設備合稱爲電子計算機三大核心部件。

而後咱們開始演進~~

First :

一開始只須要CPU和寄存器就能夠搞基，各類high；

但是後來發現寄存器徹底裝不下東西，因此咱們搞個內存，能夠放各類參數之類的。

second:

因爲寄存器芯片過貴，在考慮成本下咱們的內存都採用的比較慢速的設備。那內存徹底跑不贏CPU啊，CPU老是等啊等，花兒都謝了。

因此咱們在CPU和內存之間，採用運算速度較強的內存，即高速緩存。現今計算機架構來講，基本使用的是三級緩存。

Third:

內存過小了啊，徹底裝不下這個大千世界了啊。而且嚴重的是內存通常爲電容性器件，關機則消失，好比DRAM。

因此咱們的外存登場，固然如今咱們常常看到的就是磁盤了。

Fouth:

原本相對於CPU，內存就夠慢了，天啊，這磁盤什麼的簡直慢到睡着了。

DMA出馬，代替CPU完成讀取寫入等待等工做，和磁盤交互。

Sixth:

設備好多，無法最開始那樣一對一了，因此就來個總線對接下吧。

這麼多設備和CPU打交道，信號過來我都不知道誰的，因此加個ID標識吧。

Seventh:

磁盤慢？其實還有不少更慢的I/O等設備。CPU須要和這麼多設備打交道，那如何是好，不可能一直等，因此想到了切換，經過中斷技術實現。

 Eighth:

內存和磁盤直接對接，也出現了速度不匹配的問題，因此緩存再次出現，再次以空間換取時間。

 Nigth:

 內存雖然夠大了，可是不少時候仍是沒法放下進程的臨時數據啊，對，咱們老是以爲電腦或者手機怎麼越用越卡，就這出了問題。

可是磁盤很大啊，因此咱們能夠考慮先把一半部分數據放入磁盤，window叫虛擬緩存，linux叫交換空間。

但是磁盤的讀取速度很慢啊，CPU直接從內存讀取多快，哎，這可難辦了啊

 

天啊！就這麼簡單的介紹，管理起來就夠麻煩了。我玩計算器，莫非還要我懂這些才能玩？顯然不是，那麼就得讓人管理啊，所以操做系統出現了。

操做系統做爲大管家，管理着時間和空間，帶領硬件大小朋友們，和你一塊兒走向了人生巔峯！

 

模式切換

操做系統本質也是一段程序，一樣須要在CPU和內存上運行才行。

因此咱們把操做系統在CPU上運行時候，叫內核模式（內核空間）；將CPU運行其餘程序叫用戶模式（用戶空間）。

這裏咱們將遇到繼中斷後的第二個切換，咱們將CPU輪換的工做在內核模式和用戶模式，叫模式切換。

而且規定只有操做系統才能使用特權命令（四級命令中的0級），使用硬件設備。

若是其餘程序須要使用硬件，必須向操做系統申請，即系統調用。

內存也相應的作了照顧，將低位區除了DMA區，專門獨享給內存。

     備註：CPU資源爲時間；內存資源爲空間；CPU指令集初始爲0~3等級，後面還有-1級。

 

進程切換

針對每一個程序任務，操做系統給他們統一取了個名叫：進程。

經過windows任務管理器你會看到若干進程在運行，實際上同一時間CPU上只有一個進程在運行，而其餘進程都在等待。

運行進程在超過一段時間或者本身退出後，輪換到等待的進程，叫進程切換，這是第三種切換。

就是操做系統會不斷切換應用程序來使用CPU。

目的有兩個：減小等待時間，好比磁盤讀數據這種；

                      讓人感受全部任務是同一時間運行的，好比你在打字和屏幕上顯示字，原本屬於兩個進程來完成，但操做系統不會等你把全部字打完了再顯示出來。

   線程

線程的特色是繼承但不超過父進程的硬件權限，實際就是被閹割了一部分系統調用的權限。但因爲共享資源，大大減小了進程（線程）切換的代價，從而提高了速率。

 

如此爾爾~~~下文分解！