浅谈计算机系统——引子

提及计算机，先看以下数学模型：

 

针对计算机来讲，中间一块就是CPU中的运算器，那么咱们的计算机模型应该是这样：

 

因此才说中央处理器CPU、存储器（Memory）和输入/输出（I/O）设备合称为电子计算机三大核心部件。

而后咱们开始演进~~

First :

一开始只须要CPU和寄存器就能够搞基，各类high；

但是后来发现寄存器彻底装不下东西，因此咱们搞个内存，能够放各类参数之类的。

second:

因为寄存器芯片过贵，在考虑成本下咱们的内存都采用的比较慢速的设备。那内存彻底跑不赢CPU啊，CPU老是等啊等，花儿都谢了。

因此咱们在CPU和内存之间，采用运算速度较强的内存，即高速缓存。现今计算机架构来讲，基本使用的是三级缓存。

Third:

内存过小了啊，彻底装不下这个大千世界了啊。而且严重的是内存通常为电容性器件，关机则消失，好比DRAM。

因此咱们的外存登场，固然如今咱们常常看到的就是磁盘了。

Fouth:

原本相对于CPU，内存就够慢了，天啊，这磁盘什么的简直慢到睡着了。

DMA出马，代替CPU完成读取写入等待等工做，和磁盘交互。

Sixth:

设备好多，无法最开始那样一对一了，因此就来个总线对接下吧。

这么多设备和CPU打交道，信号过来我都不知道谁的，因此加个ID标识吧。

Seventh:

磁盘慢？其实还有不少更慢的I/O等设备。CPU须要和这么多设备打交道，那如何是好，不可能一直等，因此想到了切换，经过中断技术实现。

 Eighth:

内存和磁盘直接对接，也出现了速度不匹配的问题，因此缓存再次出现，再次以空间换取时间。

 Nigth:

 内存虽然够大了，可是不少时候仍是没法放下进程的临时数据啊，对，咱们老是以为电脑或者手机怎么越用越卡，就这出了问题。

可是磁盘很大啊，因此咱们能够考虑先把一半部分数据放入磁盘，window叫虚拟缓存，linux叫交换空间。

但是磁盘的读取速度很慢啊，CPU直接从内存读取多快，哎，这可难办了啊

 

天啊！就这么简单的介绍，管理起来就够麻烦了。我玩计算器，莫非还要我懂这些才能玩？显然不是，那么就得让人管理啊，所以操做系统出现了。

操做系统做为大管家，管理着时间和空间，带领硬件大小朋友们，和你一块儿走向了人生巅峰！

 

模式切换

操做系统本质也是一段程序，一样须要在CPU和内存上运行才行。

因此咱们把操做系统在CPU上运行时候，叫内核模式（内核空间）；将CPU运行其余程序叫用户模式（用户空间）。

这里咱们将遇到继中断后的第二个切换，咱们将CPU轮换的工做在内核模式和用户模式，叫模式切换。

而且规定只有操做系统才能使用特权命令（四级命令中的0级），使用硬件设备。

若是其余程序须要使用硬件，必须向操做系统申请，即系统调用。

内存也相应的作了照顾，将低位区除了DMA区，专门独享给内存。

     备注：CPU资源为时间；内存资源为空间；CPU指令集初始为0~3等级，后面还有-1级。

 

进程切换

针对每一个程序任务，操做系统给他们统一取了个名叫：进程。

经过windows任务管理器你会看到若干进程在运行，实际上同一时间CPU上只有一个进程在运行，而其余进程都在等待。

运行进程在超过一段时间或者本身退出后，轮换到等待的进程，叫进程切换，这是第三种切换。

就是操做系统会不断切换应用程序来使用CPU。

目的有两个：减小等待时间，好比磁盘读数据这种；

                      让人感受全部任务是同一时间运行的，好比你在打字和屏幕上显示字，原本属于两个进程来完成，但操做系统不会等你把全部字打完了再显示出来。

   线程

线程的特色是继承但不超过父进程的硬件权限，实际就是被阉割了一部分系统调用的权限。但因为共享资源，大大减小了进程（线程）切换的代价，从而提高了速率。

 

如此尔尔~~~下文分解！