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一般计算机硬件架构

这里介绍一下运行操作系统的基本计算机硬件架构。一台计算机可抽象一台以图灵机(Turing Machine)为理想模型,以冯诺依曼架构( Von Neumann Architecture)为实现模型的电子设备,包括CPU、memory和 I/O 设备。CPU(中央处理器,也称处理器) 执行操作系统中的指令,完成相关计算和读写内存,物理内存保存了操作系统中的指令和需要处理的数据,外部设备用于实现操作系统的输入(键盘、硬盘),输出(显示器、并口、串口),计时(时钟)永久存储(硬盘)。操作系统除了能在计算机上运行外,还要管好计算机。下面将简要介绍计算机硬件以及操作系统大致要完成的事情。

计算机抽象图

CPU

CPU是计算机系统的核心,目前存在各种8位,16位,32位,64位的CPU,应用在从嵌入式系统到巨型机等不同的场合中。CPU从一加电开始,从某设定好的内存地址开始,取指令,执行指令,并周而复始地运行。取指令的过程即从某寄存器(比如,程序计数器)中获取一个内存地址,从这个内存地址中读入指令,执行机器指令,不断重复,CPU运行期间会有分支和调用指令来修改程序计数器,实现地址跳转,否则程序计数器就自动加1,让CPU从下一个内存地址单元取指令,并继续执行。

由于CPU执行速度很快(x86 CPU可达到2GHZ以上的时钟频率,RISC-V CPU可达到1.5 GHZ的时钟频率),如果当前可以运行的程序太少,则会出现CPU无事可做的情况,导致计算机系统效率太低。这时就需要操作系统来帮忙了,我们需要操作系统除了能管理硬件外,还能管理应用程序,让它们能够按一定的顺序和优先级来依次使用CPU,充分发挥CPU的效能。操作系统管一个程序比较容易,但如果管理多个程序的运行,就需要考虑如何分配CPU资源的问题,如何避免程序执行期间发生“冲突”的问题等,这是操作系统需要完成的重要功能之一。

memory

内存层次图

计算机中有多种多层次的存放数据和指令代码的硬件存储单元,比如在CPU内的寄存器(register)、高速缓存(cache)、内存(memory)、硬盘、磁带等。寄存器位于CPU内部,其访问速度最快但成本昂贵,在对于传统的CISC(复杂指令集计算机,如Intel 80386处理器)中一般只有几个到十个左右的通用寄存器,而对于RISC(精简指令集计算机,如RISC-V),则可能有几十个以上通用寄存器;高速缓存(cache) 一般也在CPU内部,cache是内存和寄存器在速度和大小上的折衷,比寄存器慢2~10倍,容量也有限,量级大约几百KB到几十MB不等;再接下来就是内存了,内存位于CPU外,比寄存器慢10倍以上,但容量大,目前一般以几百兆B到几百GB不等;硬盘容量更大,但一般比寄存器要慢1000倍以上,不过掉电后其存储的数据不会丢失。

由于寄存器、cache、内存、硬盘在读写速度和容量上的巨大差异,所以需要操作系统来协调数据的访问,尽量主动协助应用软件,把最近访问的数据放到寄存器或cache中(实际上操作系统不能直接控制cache的读写),把经常访问的数据放在内存中,把不常用的数据放到硬盘上,这样可以达到让多个运行的应用程序“感觉”到它可用使用很大的空间,也可有很快的访问速度。如何让在运行中的每个程序都能够得到“足够大”的内存空间,且程序间相互不能破坏对方的内存“领地”,且建立他们之间的“数据共享”通道,这是操作系统需要完成的重要功能之一。

I/O

IO设备图

CPU处理的数据需要有来源和输出,这里的来源和输出就是各种外设,如大家日常使用计算机用到的键盘、鼠标、显示器、声卡、GPU、U盘、硬盘、SSD存储、打印机、网卡、摄像头等。上图中给出了PC计算机的一些外设硬件。应用程序如果直接访问外设,会有代码实现复杂,可移植性差,无法有效并发等问题,所以操作系统给应用程序提供了简单的访问接口,让应用程序不需要了解硬件细节。具体访问外设的苦活累活都交给操作系统来完成了,这就是操作系统中外设驱动哦程序的主要功能。

如果操作系统要通过CPU对数据进行加工,首先需要有输入,在处理完后还要进行输出,否则没东西要处理或者执行完了无法把结果反馈给用户。操作系统要处理的数据需要从外设(比如键盘、串口、硬盘、网卡)中获得,这就是一种读外设数据的操作;且在处理完毕后要传给外设(比如显示器、硬盘、打印机、网卡)进一步处理,这其实就是一种写外设数据的操作。

一般而言,IO外设把它的访问接口映射为一块内存区域,操作系统通过来用通常的内存读写指令来管理设备;或者CPU提供了特定的IO操作指令,操作系统通过这些特定的指令来完成对IO外设的访问。并且操作系统可以通过轮循、中断、DMA等访问方式来高效地管理外设。

比如,在RISC-V中通过对特定地址的内存(代表IO外设的接口)进行读或写访问,就可以实现对IO外设的访问了。在Intel x86中有两条特殊的 inout 指令来在完成CPU对外设地址空间的访问,实现对外设的管理控制。本书不会涉及很多复杂具体硬件,而只涉及到操作系统用到的一些最基本的外设硬件(时钟,串口,硬盘)细节。