合集 - 操作系统(4)
1.Linux学习笔记
2.操作系统学习笔记（一）——硬件
3.操作系统学习笔记（二）——操作系统结构4.操作系统学习笔记（三）——内存管理
收起

一、冯诺依曼模型

定义计算机基本结构为5个部分：存储器、运算器、控制器、输入设备、输出设备。

运算器和控制器在中央处理器（CPU）里，存储器就是常见的内存，输入输出设备就是计算机外接的设备，比如键盘是输入设备，显示器是输出设备。

1、内存

 程序和数据存储在内存里，存储数据的基本单位是字节，1字节等于8位，每个字节对应一个内存地址。

2、中央处理器（CPU）

32位和64位表示位宽，表示CPU一次可以计算的数据量

  • 32位CPU一次计算4个字节
  • 64位CPU一次计算8个字节

2.1 寄存器

  • 通用寄存器：用来存放需要进行运算的数据
  • 程序计数器：存储CPU下一条指令的内存地址
  • 指令寄存器：存放当前正在执行的指令

2.2 控制单元

负责控制CPU工作

2.3 逻辑运算单元

负责计算

2.4 CPU cache

在CPU里，分为L1、L2、L3 这样的三层高速缓存

 

3、总线

用于CPU和内存以及其它设备之间的通信

  • 地址总线：用于指定CPU将要操作的内存地址
  • 数据总线：用于读写内存的数据
  • 控制总线：用于发送和接收信号，比如中断、设备复位等信号

 

4、输入、输出设备

输入设备向计算机输入数据，计算机经过计算后，把数据输出给输出设备。

 

二、CPU执行程序的过程

第一步：CPU读取程序计数器的值，然后CPU的控制单元操作地址总线指定需要访问的内存地址，接着通知内存设备准备数据，数据准备好后通过数据总线将指令数据传给CPU，CPU收到后将指令数据保存到指令寄存器。

第二步：程序计数器的值自增，表示下一条指令。

第三步：CPU分析指令寄存器中的指令，确定指令的类型和参数，如果是计算类型的指令就把指令交给逻辑运算单元运算，如果是存储类型的指令，则交由控制单元执行。

 

三、存储器的层次结构

 1、寄存器

在CPU里，存储正在运算的数据

2、CPU cacle

在CPU里，分为L1、L2、L3 这样的三层高速缓存，L1离CPU最近访问速度最快，L3最慢。是SRAM静态随机存储器芯片，只要有电数据就可以保持存在，断电就失去数据。

3、内存

是DRAM动态随机存储器，比SRAM容量大，造价便宜。需要定时刷新电容才能保证数据不会丢失。

4、SSD/HDD硬盘

SSD就是固体硬盘，断电后数据还是存在的。HDD是机械硬盘。

 

四、CPU缓存一致性

如果数据写入 Cache 之后，内存与 Cache 相对应的数据将会不同，这种情况下 Cache 和内存数据都不一致了，于是我们肯定是要把 Cache 中的数据同步到内存里的。将cache写回内存的两种策略：
1、写直达

把数据同时写回内存和cache：

  • 如果数据已经在 Cache 里面，先将数据更新到 Cache 里面，再写入到内存里面；
  • 如果数据没有在 Cache 里面，就直接把数据更新到内存里面。

写直达的问题是无论数据是否在cache里，每次写操作都会写回到内存，这样会花费大量时间。

2、写回

当发生写操作时，新的数据只写到cacle里,只有当修改过的cache被替换的时候才写回内存。这样减少了数据写回内存的频率。

 

CPU是多核的，每个CPU都有独立的cache，如何保证多核CPU的缓存一致性？

要解决这一问题，就需要一种机制，来同步两个不同核心里面的缓存数据。要实现的这个机制的话，要保证做到下面这 2 点：

  • 第一点，某个 CPU 核心里的 Cache 数据更新时，必须要传播到其他核心的 Cache，这个称为写传播（Write Propagation）；
  • 第二点，某个 CPU 核心里对数据的操作顺序，必须在其他核心看起来顺序是一样的，这个称为事务的串行化（Transaction Serialization）。

写传播的实现方法：

基于总线嗅探机制的协议：MESI协议

MESI 协议，是已修改、独占、共享、已失效这四个状态的英文缩写的组合。整个 MSI 状态的变更，则是根据来自本地 CPU 核心的请求，或者来自其他 CPU 核心通过总线传输过来的请求，从而构成一个流动的状态机。另外，对于在「已修改」或者「独占」状态的 Cache Line，修改更新其数据不需要发送广播给其他 CPU 核心。