读书笔记(1)深入理解计算机系统

一、计算机体系结构

1、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。

       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

       (2)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。

       (3)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。

       (4)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。

       (5)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。

       (6)数据以二进制表示。

       (2)顺序执行程序.

       

2、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... 

 

3、CPU(Central Processing Unit)

       ALU(Arithmetic and Logic Unit):

              算术逻辑单元（ALU）、

              累加器

              状态寄存器

              通用寄存器组

       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

1、操作系统内核，提供三个抽象：

       文件对I/O设备的抽象，虚拟存储器对主存和硬盘的抽象，进程对处理器主存I/O设备的抽象

       文件：字节序列。文件是个抽象，使得程序统一对待各种I/O设备，包括网络       

2、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：

       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。

       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）

1、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。

2、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

3、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

4、DMA直接存储

       DMA:Direct Memory Access(存取)

              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。

       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。

       DMA控制器与CPU分时使用内存的三种方式：

              (1)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

              (2)周期挪用；

              (3)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，