操作系统笔记（一）——背景
03 Aug 2014 OS这一部分主要介绍一些背景知识，给出关于计算机系统结构和操作系统结构核心的基本概念。
计算机结构的基本构成
计算机结构有四个主要的结构化组件：
- 处理器（processor）：控制计算机的操作，执行数据处理功能。只有一个处理器时，通常指中央处理单元(CPU)。
- 内存（main memory）：存储数据和程序。又称实存储器(real memory)或主存储器(primary memory)。
- 输入/输出模块（I/O module）：在计算机和外部环境之间移动数据。
- 系统总线（system bus）：为处理器、内存和输入/输出模块间提供通信的设施。
处理器
处理器包含一组寄存器，它们提供一定的存储能力，比内存访问速度快，但比内存的容量小。 处理器中的两类寄存器：
- 用户可见寄存器：优先使用这些寄存器，可以减少使用机器语言或汇编语言的程序员对内存的访问次数。对高级语言而言，由优化编译器负责决定哪些变量应该分配给寄存器，哪些变量应该分配给内存。
- 控制和状态寄存器：用以控制处理器的操作，且主要被具有特权的操作系统例程使用，用以控制程序的执行。
存储器
计算机存储器的设计目标可以归纳为三个问题：多大容量？多快速度？多贵价格？存储器的这三个重要特性间存在着一定的折衷，即容量、存取时间和价格。
存储器的层次结构如下图所示：
可以通过层次组织数据，是的随着组织层次的递减，对各层次的访问比例也依次递减。
高速缓存
由于处理器和内存的速度不匹配（处理器速度快于存储器访问速度），解决的办法是利用局部性原理，即在处理器和内存之间提供一个容量小而速度快的存储器，称作高速缓存。
高速缓存用于在内存和处理器的寄存器之间分段移动数据，以提高数据访问的性能。
I/O通信技术
- 可编程I/O 当处理器正在执行程序并遇到一个与I/O相关的指令时，它通过给相应的I/O模块发命令来执行这个指令。 处理器通常需要等待很长时间，来确定I/O模块是否做好了接收或发送更多数据的准备；等待期间要不断询问I/O模块的状态，严重降低了整个系统的性能。
- 中断驱动I/O 处理器给模块发送I/O命令，然后继续做其他一些有用的工作。当I/O模块准备好与处理器交换数据时，它将打断处理器的执行并请求服务。
- 直接内存存取（DMA） 上面两种I/O形式，处理器都需要主动干预在存储器和I/O模块之间的数据传送，且任何数据传送都必须完全通过处理器。因此，I/O传送速度受限于处理器测试设备和提供服务的速度，处理器也忙于管理I/O传送的工作。 DMA可以由系统总线中一个独立的模块完成，也可以并入到一个I/O模块中。DMA模块直接与存储器交互，传送整个数据块，每次传送一个字。这个过程不需要处理器参与。DMA模块需要控制总线以便与存储器进行数据传送。
操作系统
操作系统是控制应用程序执行的程序，并充当应用程序和计算机硬件之间的接口。 操作系统的发展：
- 串行处理
- 简单批处理
- 多道程序设计批处理
- 分时系统
Reference：《操作系统：精髓与设计原理》