计算机基本体系结构

计算机基本体系结构

CPU(运算器、控制器、寄存器)
	运算器：进行数字运算、逻辑运算
	控制器：控制数据的存取 
	寄存器：运算过程中数据的暂存位置
	
RAM
	数据存储单元，每8位一个存储单元，称为cell
	每个cell都有一个唯一的十六进制地址标识，0x00，00x01
	为了确保CPU能在内存中寻址寻找数据，中间需要一个中间件，称为north bridge
	
	CPU采用线路复用(32位电路)的方式完成数据寻址、数据存储等，例如00表示寻址、01表示数据读取等
	
	
	PAE	Physical Address Extension	物理地址扩展 

		在32位电路上又加了4位电路, 使32位CPU支持能够使用大于4G的内存 


		
	CPU缓存 
		将RAM中具有热区的数据缓存，加快CPU读取数据速度(20%)
	
		当缓存占满时，会使用一定的置换策略进行数据置换(例如LRU)，用于确保当后续数据需要被载入时有足够的空间
	
		依赖于程序局部性
	
			空间局部性：缓存加载数据时，除了加载对应cell的数据外，还会加载其附近的数据
			时间局部性：一段数据被访问一次，其可能在一段时间内会再被访问 
		
		
		缓存类型：
			一级缓存
				一级指令缓存
				一级数据缓存 
			二级缓存 
			三级缓存 

			一级、二级缓存对于多个CPU或者多核CPU来说是独有的
			三级缓存是所有CPU共享的
		
		
			由于RAM与缓存的空间相差太大，会导致缓存命中率低，采用了N路关联技术(一路关联、二路关联、四路关联、八路关联) 	
	

			CPU处理写操作时，由于CPU是直接和一级缓存打交道，也就意味着该数据的修改会通知一级缓存、二级缓存、三级缓存、内存，此技术称为通写write through
			
			另外一种技术称为write back，回写，CPU对缓存数据进行修改后，不会立即更新到RAM，只有数据要被缓存通过某种置换策略丢弃时才会被同步到RAM
	
	
	
显卡	同样需要北桥与CPU进行大量数据交换

I/O设备[磁盘、网卡、键盘、鼠标等]通过插入South Bridge，再通过North Bridge与CPU进行关联
	高速IO	PCI-E插槽，接入North Bridge 
	低速IO	PCI[外部设备互联]插槽，接入South Bridge

CPU架构

SMP 对称多处理器 

NUMA  非一致性内存访问 


	
	
	
	
	
CPU如何区分不同的I/O设备？   I/O Port 

	任何一个I/O设备为了和CPU进行数据交互，都要向CPU申请一片连续的I/O port
		

I/O设备控制器/适配器 
	将对应的I/O设备的信息转换成总线上可以传输的信号、进行信号的校验等
	
	

	
CPU如何获知哪个外部设备来了数据？

	Poll：CPU轮询，效率低 
	通知机制 
		为了确保I/O设备与CPU进行数据信号交互，每个I/O设备需要向CPU中断控制器注册信号通路
		
		CPU中断控制器[Interrupt Controller]，即CPU暂停处理当前的事务，来接收外部设备来的信号，最起码先把信号加载到内存 
		
		CPU Context Swith： 上下文切换 ，进程在CPU上切换被CPU执行 
		
		
DMA: Director Memory Access
	CPU如果总是控制I/O设备读取数据，效率低下；其解决方案，CPU检测到I/O设备支持通过DMA机制，CPU将给DMA进行授权，让DMA由DMA芯片控制I/O设备将数据读取到内存，DMA一般是把数据读取到内存中最容易寻址的一块区域；内存中还有一块底层区域用于BIOS
	
	DMA数据读取完成后，要向CPU中断控制器发送信号，告之CPU数据加载完成 
	
	临界区
		指的是有可能发生总线冲突的区域 
	
	
	
		
由于各硬件设备的速度差异较大，因此CPU还要具有能够协调各硬件协同工作的能力；通过脉冲信号(电平信号)完成

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OS

Process： 进程
每个进程运行过程中要获取硬件资源
系统资源：CPU时间、存储空间

如何让CPU运行多个进程？

在CPU上按时间进行切片，也就是说CPU会为每个进程指令分配一定的运行时间

由指令计数器记录每个进程在时间片结束时，其指令运行的条目数 

进程在运行时还需要RAM进行数据保存，如何确保多个进程共同使用RAM存储数据且不冲突？

按内存空间进行切片是不合适的
	进程结束时可能会造成内存中存在好多漏洞
	万一事先分配的内存空间不足，可能会覆盖其他进程所使用的内存空间 

如何解决？
	
	事先切割内存，以4K为默认单位，每个4k的存储槽称为页框page frame，每个4k中存储的数据称为页面page
	
	在此基础上加一个映射机制，让每一个进程都认为自己拥有完整的内存使用，此映射器中用于保存线性地址与物理地址的映射关系 

	每个进程认为自己拥有的内存地址空间称为线性地址，真实的内存称为物理地址

I/O设备

内核 --> 进程  

CPU在运行内核进程时，称为内核模式

CPU在运行用户空间进程时，称为用户模式，而用户模式的进程是不允许直接操作硬件的

CPU在进行一些指令时是分级别的，或者称为ring

	ring -1	硬件辅助虚拟化 
	ring 0	特权指令
	ring 1 
	ring 2 
	ring 3  用户空间指令，完全虚拟化[纯软件模拟]