计算机总述--工作原理

cpu

cpu工作原理图：

在操作系统中，CPU被抽象成了时间片，而后将程序抽象成进程，通过分配时间片让程序运行起来。CPU有寻址单元用于来识别变量在内存的中所保存的集体内存地址。

而我们主机内部的总线是取决于CPU的位宽（也叫字长），比如32bit的地址总线，它能表示2的32次方个内存地址，转换成10进制就是4G内存空间。

内存

许多年以前，当人们还在使用DOS或是更古老的操作系统的时候，计算机的内存还非常小，一般都是以K为单位进行计算，程序也是几kb，运行程序直接放到内存中运行即可。

如今程序非常大，而内存很小，就此采用虚拟存储器来解决。虚拟存储器的基本思想是程序，数据，堆栈的总的大小可以超过物理存储器的大小，操作系统把当前使用的部分保留在内存中，而把其他未被使用的部分保存在磁盘上。比如对一个16MB的程序和一个内存只有4MB的机器，操作系统通过选择，可以决定各个时刻将哪4M的内容保留在内存中，并在需要时在内存和磁盘间交换程序片段，这样就可以把这个16M的程序运行在一个只具有4M内存机器上了。

大多数使用虚拟存储器的系统都使用一种称为分页（paging）机制。虚拟地址空间划分成称为页（page）的单位，而相应的物理地址空间也被进行划分，单位是页帧(frame).页和页帧的大小必须相同。

机器只有256M的物理地址，虚拟地址空间范围是00xFFFFFFFF（4G），而物理地址空间范围是0x000000000x0FFFFFFF（256M）。因此他可以运行4G的程序，但该程序不能一次性调入内存运行。这台机器必须有一个达到可以存放4G程序的外部存储器（例如磁盘或是FLASH），以保证程序片段在需要时可以被调用。在这个例子中，页的大小为4K，页帧大小与页相同——这点是必须保证的，因为内存和外围存储器之间的传输总是以页为单位的。对应4G的虚拟地址和256M的物理存储器，他们分别包含了1M个页和64K个页帧。

存储

由于CPU内部的寄存器存储的空间有限，于是就用了内存来存储数据，但是CPU和速度和内存的速度完全不在一个档次上，因此在处理的数据的时候回到多数都在等（CPU要在内存中取一个数据，cpu转一圈的时间就可以处理完，内存可能是需要转20圈）。为了解决使得效率更加提高，就出现了缓存这个概念。

既然我们知道了程序的局部性原理，有知道了CPU为了获得更多的空间其实就是用时间去换空间，但是缓存就是可以直接让cpu拿到数据，节省了时间，所以说缓存就是用空间去换时间

数据存储速度和结构：

CPU在处理数据的地方就是在寄存器中修改，当寄存器没有要找的数据是，就会去一级缓存找，如果一级缓存中没有数据就会去二级缓存中找，依次查找知道从磁盘中找到，然后在加载到寄存器中。当三级缓存从内存中取数据发现三级缓存不足时，就会自动清理三级缓存的空间。

我们知道数据最终存放的位置是硬盘，这个存取过程是由操作系统来完成的。而我们CPU在处理数据是通过两种写入方式将数据写到不同的地方。

那就是通写（写到内存中）和回写（写到一级缓存中）。很显然回写的性能好，但是如果断电的话就尴尬了，数据会丢失，因为他直接写到一级缓存中就完事了，但是一级缓存其他cpu核心是访问不到的，因此从可靠性的角度上来说通写方式会更靠谱。具体采用哪种方式得你自己按需而定啦。

多级缓存

1、一级缓存基本上都是内置在cpu的内部和cpu一个速度进行运行，能有效的提升cpu的工作效率。一级缓存越多，cpu的工作效率就会越来越高，是cpu的内部结构限制了一级缓存的容量大小，使一级缓存的容量都是很小的。

2、二级缓存主要作用是协调一级缓存和内存之间的工作效率。cpu首先用的是一级内存，当cpu的速度慢慢提升之后，一级缓存就不够cpu的使用量了，这就需要用到二级缓存。

3、三级缓存和一级缓存与二级缓存的关系差不多，是为了在读取二级缓存不够用的时候而设计的一种缓存手段，在有三级缓存cpu之中，只有大约百分之五的数据需要在内存中调取使用，这能提升cpu不少的效率，从而cpu能够高速的工作。

其实三级缓存就是就是多颗CPU共享的空间。当然多颗cpu也是共享内存的。将三级缓存或者内存进行分段，每段给对应的cpu使用。

硬件设备

设备组成：

1. 设备控制器，集成在主板的一块芯片活一组芯片。负责从操作系统接收命令，并完成命令的执行，比如负责从操作系统中读取数据。
2. 设备本身，有自己的接口，但需要连接使用。

每个控制器都有少量的用于通信的寄存器（几个到几十个不等）。这个寄存器是直接集成到设备控制器内部的。比方说，一个最小化的磁盘控制器，它也会用于指定磁盘地址，扇区计数，读写方向等相关操作请求的寄存器。所以任何时候想要激活控制器，设备驱动程序从操作系统中接收操作指令，然后将它转换成对应设备的基本操作，并把操作请求放置在寄存器中才能完成操作的。每个寄存器表现为一个IO端口。所有的寄存器组合称为设备的I/O地址空间，也叫I/O端口空间，

驱动程序： 真正的硬件操作是由驱动程序操作完成的。驱动程序通常应该由设备生产上完成,通常驱动程序位于内核中，虽然驱动程序可以在内核外运行，但是很少有人这么玩，因为它太低效率啦！

实现输入和输出： 设备的I/O端口没法事前分配，因为各个主板的型号不一致，所以我们需要做到动态指定。电脑在开机的时候，每个IO设备都要想总线的I/o端口空间注册使用I/O端口。这个动态端口是由所有的寄存器组合成为设备的I/O地址空间，有2^16次方个端口，即65535个端口。

三种方式实现I/O设备的输入和输出： 轮询： 通常指的是用户程序发起一个系统调用，内核将其翻译成一个内核对应驱动的过程调用，然后设备驱动程序启动I/O,并在一个连续循环不断中检查该设备，并看该设备是否完成了工作。这有点类似于忙等待（就是cpu会用固定周期不断通过遍历的方式去查看每一个I/O设备去查看是否有数据， 显然这种效率并不理想。）

中断： 中断CPU正在处理的程序，中断CPU正在执行的操作，从而通知内核来获取中断请求。在我们的主板通常有一个独特的设备，叫做可编程中断控制器。这个中断控制器可以通过某个针脚和CPU直接进行通信，能够出发CPU发生某个位置偏转，进而让CPU知道某个信号到达。中断控制器上会有一个中断向量（我们每一个I/O设备在启动时，要想中断控制器注册一个中断号，这个号通常是唯一的。通常中断向量的每一个针脚都是可以识别多个中断号的），也可以叫中断号。

因此当这个设备真正发生中断时，这个设备不会把数据直接放到总线上，这个设备会立即向中断控制器发出中断请求，中断控制器通过中断向量识别这个请求是哪个设备发来的，然后通过某种方式通知给CPU，让CPU知道具体哪个设备中断求情到达了。这个时候CPU可以根据设备注册使用I/O端口号，从而就能获取到设备的数据了。（注意，CPU是不能直接取数据的哟，因为他只是接收到了中断信号，它只能通知内核，让内核自己运行在CPU上，由内核来获取中断请求。）举个例子，一个网卡接收到外来IP的请求，网卡也有自己的缓存区，CPU讲网卡中的缓存拿到内存中进行去读，先判断是不是自己的IP，如果是就开始拆报文，最后会获取到一个端口号，然后CPIU在自己的中断控制器去找这个端口，并做相应的处理。

内核中断处理分为两步：中断上半部分（立即处理）和中断下半部分（不一定）。还是从网卡接收数据为例，当用户请求到达网卡时，CPU会命令讲网卡缓存区的数据直接拿到内存中来，也就是接收到数据后会立即处理（此处的处理就是将网卡的数据读到内存中而已，不做下一步处理，以方便以后处理的。），这个我们称之为中断的上半部分，而后来真正来处理这个请求的叫做下半部份

DMA： 直接内存访问，大家都知道数据的传输都是在总线上实现的，CPU是控制总线的使用者，在某一时刻到底是有哪个I/O设备使用总线是由CPU的控制器来决定的。总线有三个功能分别是：地址总线（完成对设备的寻址功能），控制总线（控制各个设备地址使用总线的功能）以及数据总线（实现数据传输）。

通常是I/O设备自带的一个具有智能型的控制芯片（我们称之为直接内存访问控制器），当需要处理中断上半部分时，CPU会告知DMA设备，接下来总线归DMA设备使用，并且告知其可以使用的内存空间，用于将I/O设备的数据读取到内存空间中去。当DMA的I/O设备将数据读取完成后，会发送消息告诉CPU以及完成了读取操作，这个时候CPU再回通知内核数据已经加载完毕，具体中断下半部分的处理就来交个内核处理了。现在大多数设备都是用DMA控制器的，比如：网卡，硬盘等等

总图：

我们的CPU有要想跟指定设备打交道，就需要把指令传给驱动，然后驱动讲CPU的指令转换成设备能理解的信号放在寄存器中（也可以叫套接字，socket）.所以说寄存器（I/O端口）是CPU通过总线和设备打交道的地址（I/O端口）。

进程

程序跑起来，我们统一叫进程（我们暂时不用理会线程）。那如果多个进程同时运行就意味着把这些有限的抽象资源（cpu,memory等等）分配给多个进程。我们把这些抽象资源统称为资源集。

资源集包括： 1>.cpu时间； 2>.内存地址：抽象成虚拟地址空间(如32位操作系统，支持4G空间，内核占用1G空间，进程也会默认自己有3G可用，事实上未必有3G空间，因为你的电脑可能会是小于4G的内存。) 3>.I/O:一切皆文件打开的多个文件，通过fd（文件描述符，file descriptor）打开指定的文件。我们把文件分为三类：正常文件、设备文件、管道文件。

每一个进行都有自己作业地址结构，即：task struct。其就是内核为每个进程维护的一个数据结构（一个数据结构就是用来保存数据的，说白了就是内存空间，记录着该进程所拥有的资源集，当然还有它的父进程，保存现场【用于进程切换】，内存映射等待）。task struct模拟出来了线性地址，让进程去使用这些线性地址，但是它会记录着线性地址和物理内存地址的映射关系的。

内存映射

只要不是内核使用的物理内存空间我们称之为用户空间。内核会吧用户空间的物理内存切割成固定大小的页框（即page frame），就是一个固定大小的存储单位，比默认的单个存储单元（默认是一个字节，即8bit）要大.通常每4k一个存储单位。每一个页框作为一个独立的单元向外进行分配，且每一个页框也都其编号。【举个例子：假设有4G空间可用，每一个页框是4K，一共有1M个页框。】这些页框要分配给不同的进程使用。

我们假设你有4G内存，操作系统占用了1个G，剩余的3G物理内存分配给用户空间使用。每一进程启动之后，都会认为自己有3G空间可用，但是实际上它压根就用不完3G。进程进行写入内存是被离散存储的。哪有空余内存就往哪存取。具体的存取算法不要问我，我也没有研究过。

进程空间结构： 1>.预留空间 2>.栈（变量存放处） 3>.共享库 4>.堆（打开一个文件，文件中的数据流存放处） 5>.数据段（全局的静态变量存放处） 6>.代码段

进程和内存的存储关系如下：

每个进程空间都有预留空间，当某个进程发现自己打开的数据已经不够用，它需要打开一个新文件（打开一个新文件就需要在进程的地址空间存放数据），很显然我们上图的进程地址空间是线性的并不是真正意义上的。当一个进程真正去申请使用一个内存时，需要向内核发起系统调用，由内核在物理内存上找一个物理空间，并告诉该进程可以使用的内存地址。比方说进程要在堆上打开一个文件，它需要向操作系统（内核）申请使用内存空间，且在物理内存允许的范围内（即请求的内存需要小于空闲物理内存），内核会分配给该进程内存地址。

每一进程都有自己线性地址，这个地址是操作系统虚拟出来的，并不真实存在，它需要把这个虚拟地址和真正的物理内存做一个映射关系，如图“进程和内存的存储关系”，最终的进程数据的存放处位置还是映射到内存中了。这就意味着，当一个进行跑到CPU上执行时，它告诉CPU的是自己的线性地址，这时候CPU不会直接去找这个线性地址（因为线性地址是虚拟出来的，不真实存在，真正存放地址进程的是物理内存地址。），它会先去找这歌进程的“task struct”，并装载页表（page table）[记录着线性地址到物理内存的映射关系，每一个对应关系叫做一个页表项。]，以读取到进程的所拥有的线性地址所对应的真正的物理内存地址。

CPU访问进程的地址时，首先获取到的是进程的线性地址，它将这个线性地址交给自己的芯片MMU进行计算，得到真正的物理内存地址，从而达到访问进程内存地址的目的。换句话说，只要他想要访问一个进程的内存地址，就必须经过MMU运算，这样导致效率很低，因此他们有引进了一个缓存，用于存放频繁访问的数据，这样就可以提高效率，不用MMU进行计算，直接拿到数据去处理就OK了，这个缓存器我们称之为：TLB：转换后援缓冲器(缓存页表的查询结果)

注意：在32bit的操作系统是线线地址到物理内存的映射。而在64bit操作系统是恰恰相反的！

用户态和内核态

操作系统运行时为了呢能够实现协调多任务，操作系统被分割成了2段，其中接近于硬件一段具有特权权限的叫做内核空间，而进程运行在用户空间当中。所以说，应用程序需要使用特权指令或是要访问硬件资源时需要系统调用。

只要是被开发成应用程序的，不是作为操作系统本身的一部分而存在的，我们称之为用户空间的程序。他们运行状态称之为用户态。

需要在内核（我们可以认为是操作系统）空间运行的程序，我们称之他们运行在内核空间，他们运行的状态为用户态，也叫核心态。注意：内核不负责完成具体工作。在内核空间可用执行任何特权操作。

每一个程序要想真正运行起来，它最终是向内核发起系统调用来完成的，或者有一部分的程序不需要内核的参与，有我们的应用程序就能完成。我们打个比方，你要计算2的32次方的结果，是否需要运行在内核态呢？答案是否定的，我们知道内核是不负责完成具体工作的，我们只是想要计算一个运算结果，也不需要调用任何的特权模式，因此，如果你写了一些关于计算数值的代码，只需要把这个代码交给CPU运行就可以了。

如果一个应用程序需要调用内核的功能而不是用户程序的功能的话，应用程序会发现自己需要做一个特权操作，而应用程序自身没有这个能力，应用程序会向内核发申请，让内核帮忙完成特权操作。内核发现应用程序是有权限使用特权指令的，内核会运行这些特权指令并把执行结果返回给应用程序，然后这个应用程序拿到特权指令的执行结果后，继续后续的代码。这就是模式转换。

因此一个程序员想要让你的程序具有生产力，就应该尽量让你的代码运行在用户空间，如果你的代码大多数都运行在内核空间的话，估计你的应用程序并不会给你打来太大的生产力哟。因为我们知道内核空间不负责产生生产力。

而内核调用转换的时候需要切换上下文。将用户态指令保存，再运行内核态指令。执行完毕后，需要再回复到用户态，也就是2次上下文切换，不会涉及虚拟内存等资源，也不会切换进程，只是进程中指令在环中的切换。

我们知道计算机的运行就是运行指令的。指令还分特权指令级别和非特权指令级别。了解过计算机的朋友可能知道X86的CPU架构大概分成了四个层次，由内之外共有四个环，被称为环0，环1，环2，环3。我们知道环0的都是特权指令，环3的都是用户指令。一般来讲，特权指令级别是指操作硬件，控制总线等等。

一个程序的执行，需要在内核的协调下，有可能在用户态和内核态互相切换，所以说一个程序的执行，一定是内核调度它到CPU上去执行的 。有些应用程序是操作系统运行过程当中，为了完成基本功能而运行的，我们就让他在后台自动运行，这叫守护进程。但是有的程序是用户需要的时候才运行的，那如何通知内核讲我们需要的应用程序运行起来呢？这个时候你就需要一个解释器，它能和操作系统打交道，能够发起指令的执行。说白了就是能够把用户需要的运行请求提交给内核，进而内核给它开放其运行所需要的有赖于的基本条件。从而程序就执行起来了。