第一章 计算机系统概述 （操作系统——精髓与设计原理）

Posted 2021-02-18 xingxyx

1.关键术语

地址寄存器：包含数据和指令的主存储器地址。或者包含用于计算完整地址或有效地址的地址区域，这些寄存器可以是通用的，或者可以用来以某一特定方式或模式寻址存储器

指令寄存器：(Instruction Register,IR)取到的指令被放置在处理器的一个寄存器中，就是指令寄存器

辅存：辅存狭义上是我们平时讲的硬盘。科学地说是外部存储器（需要通过I/O系统与之交换数据，又称为辅助存储器）。存储容量大、成本低、存取速度慢，以及可以永久地脱机保存信息。主要道包括磁表面存储器、软盘存储器、磁带存储设备、光盘存储设备。

I/O模块：输入/输出模块，在计算机与外部环境之间移动数据，外部环境由各种外部设备组成，包括二级存储器设备（如硬盘）、通信设备和终端

栈：是一种受限的线性表，只支持从栈尾进行添加和删除操作的

缓存命中率：终端用户访问加速节点时，如果该节点有缓存住了要被访问的数据时就叫做命中，如果没有的话需要回原服务器取，就是没有命中。取数据的过程与用户访问是同步进行的，所以即使是重新取的新数据，用户也不会感觉到有延时。 命中率=命中数/（命中数+没有命中数）， 缓存命中率是判断加速效果好坏的重要因素之一。

处理器：控制计算机的操作，执行数据处理功能，当只有一个处理器时，它通常指中央处理器（CPU）

时间局部性：temporal locality，被引用过一次的存储器位置在未来会被多次引用（通常在循环中）

指令周期：指令周期是取出一条指令并执行这条指令的时间。一般由若干个机器周期组成，是从取指令、分析指令到执行完所需的全部时间。

寄存器：寄存器的功能是存储二进制代码，它是由具有存储功能的触发器组合起来构成的。一个触发器可以存储1位二进制代码，故存放n位二进制代码的寄存器，需用n个触发器来构成。

中央处理单元：（CPU，central processing unit）作为计算机系统的运算和控制核心，是信息处理、程序运行的最终执行单元。CPU 自产生以来，在逻辑结构、运行效率以及功能外延上取得了巨大发展

空间局部性：spatial locality，如果一个存储器的位置被引用，那么将来他附近的位置也会被引用。

直接存储器存取：直接存储器存取是一种高速数据传输的方法，数据可以从一个通道，不经过CPU的处理就直接在存储器或输入输出设备之间进行传输。

多道程序设计：多道程序设计是在计算机内存中同时存放几道相互独立的程序，使它们在管理程序控制之下，相互穿插的运行。 两个或两个以上程序在计算机系统中同处于开始到结束之间的状态。这就称为多道程序设计。多道程序技术运行的特征：多道、宏观上并行、微观上串行。

系统总线：为处理器、主存储器和输入/输出模块间提供通信的设施

可重入过程：重入程序是指该程序被某程序调用，但还未结束，又被另一个程序调用。可重入程序是通过减少对换信息量来改善系统响应时间的。主要通过共享来使用同一块存储空间回的，或者通过动态链接的方式将所需的程序段映射到相关程序中去，其最大的优点是减少答了对程序段的调入调出。由此来减少对换信息量

高速缓冲槽：高速缓冲存储器中有C个存储槽

输入/输出（I/O）：在计算机和外部环境之间移动数据，外部环境由各种外部设备组成，包括二级存储器设备、通信设备和终端

可编程I/O：当处理器正在运行程序并遇到一个与I/O相关的指令时，它通过给对应的I/O模块发命令来运行这个指令。使用可编程I/O操作时，I/O模块运行请求的动作并设置I/O状态寄存器中对应的位，它并不进一步通知处理器，尤其是它并不中断处理器。因此处理器在运行I/O指令后，还要定期检查I/O模块的状态，以确定I/O操作是否已经完毕。假设使用这样的技术，处理器负责从内存中提取数据以用于输出，并在内存中保存数据以用于输入。I/O软件应该设计为由处理器运行直接控制I/O操作的指令。包含检測设备状态、发送读命令或写命令和传送数据，因此指令集中包含下面几类I/O指令：

控制：用于激活外部设备。并告诉它做什么。

状态：用于測试与I/O模块及其外围设备相关的各种状态条件。

传送：用于在存储器寄存器和外部设备间读数据或写数据。

缺点：这是一个耗时的处理，处理器总是处于没实用的繁忙中。

中断驱动I/O段指针：处理器给模块发出I/O命令，然后继续做其它一些实用的工作。当I/O模块准备好与处理器交换数据时，它将打断处理器的运行并请求服务。处理器和前面一样运行数据传送，然后恢复处理器曾经的运行过程。

                                 缺点：因为数据中的每一个字不管从存储器到I/O模块还是从I/O模块到存储器都必须通过处理器处理，这导致中断驱动I/O仍然会花费非常多处理器时间。

数据寄存器:可以被程序员分配给各种函数，在某些情况下，它们实际上是通用的，可被执行数据操作的任何机器指令使用

主存:主存储器（Main memory），简称主存。是计算机硬件的一个重要部件，其作用是存放指令和数据，并能由中央处理器（CPU）直接随机存取。现代计算机是为了提高性能，又能兼顾合理的造价，往往采用多级存储体系。即由存储容量小，存取速度高的高速缓冲存储器，存储容量和存取速度适中的主存储器是必不可少的。主存储器是按地址存放信息的，存取速度一般与地址无关。32位（比特）的地址最大能表达4GB的存储器地址。这对多数应用已经足够，但对于某些特大运算量的应用和特大型数据库已显得不够，从而对64位结构提出需求。

栈指针：如果对用户可见的栈进行寻址，则应该有一个专门的寄存器指向栈顶，这样就允许使用不包含地址域的指令，如入栈（push）和出栈（pop）

高速缓冲存储器：在处理器和寄存器之间提供一个容量小而速度快的存储器

条件码：condition code，也称为标记，是由处理器硬件为操作结果设置的位

栈帧：每一次函数的调用,都会在调用栈(call stack)上维护一个独立的栈帧(stack frame).每个独立的栈帧一般包括:

• 函数的返回地址和参数
• 临时变量: 包括函数的非静态局部变量以及编译器自动生成的其他临时变量
• 函数调用的上下文
  栈是从高地址向低地址延伸,一个函数的栈帧用ebp 和 esp 这两个寄存器来划定范围.ebp 指向当前的栈帧的底部,esp 始终指向栈帧的顶部;
  ebp 寄存器又被称为帧指针(Frame Pointer);
  esp 寄存器又被称为栈指针(Stack Pointer);

索引寄存器：索引寻址是一种最常用的寻址方式，它通过给一个基值加一个索引来获得有效地址

程序计数器：包含将取指令的地址

2.复习题

列出并简要地定义计算机的四个主要组成部分：处理器、主存储器、输入输出模块I/O，系统总线

定义处理器寄存器的两种主要类别：用户可见寄存器；控制和状态寄存器

一般而言，一条机器指令能指定的四种不同操作是什么：处理器-存储器；处理器-I/O；数据处理；控制

什么是中断：中断是指计算机运行过程中，出现某些意外情况需主机干预时，机器能自动停止正在运行的程序并转入处理新情况的程序，处理完毕后又返回原被暂停的程序继续运行

多中断的处理方式是什么：1、当正在处理一个中断时，禁止再发生中断；2、定义中断优先级，允许高优先级的中断打断低优先级的中断处理器的运行

列出并简要定义I/O操作的三种技术：可编程I/O；中断驱动I/O；直接存储器访问

空间局部性和临时局部性间的区别是什么：空间局部性是指最近被访问的元素的周围的元素在不久的将来可能会被访问。临时局部性（即时间局部性）是指最近被访问的元素在不久的将来可能会被再次访问。

开发空间局部性和时间局部性的策略是什么：进程运行时，在一段时间里，程序的执行往往呈现高度的局部性，包括时间局部性和空间局部性。时间局部性是一旦一个指令被执行了，则在不久的将来，它可能再被执行。空间局部性是一旦一个指令一个存储单元被访问，那么它附近的单元也将很快被访问。程序的局部性原理是虚拟存储技术引入的前提。虚拟存储的实现原理是，当进程要求运行时，不是将它全部装入内存，而是将其一部分装入内存，另一部分暂时不装入内存。