【操作系統】第三章：計算機體系結構（Part1）

計算機體系結構

計算機體系結構分爲三大塊內容。如圖所示
CPU：CPU完成了整個程序、軟件的控制
內存：放置程序的代碼和它所處理的數據
設備：各種外設，配合執行一系列額外的工作（比如保存數據到硬盤中，需要鼠標點點點）。輸入輸出（IO操作）

內存的層次結構

內存層級結構：就是CPU要訪問的指令或者數據他所在的位置在什麼地方。從上到下，CPU可以訪問的數據是寄存器和閃存。這兩部分是位於CPU芯片內部的，操作系統不能對其直接管理。他們速度很快容量很小，所以訪問的數據有限。爲此我們需要主存（物理內存），主存需要存放OS本身和OS運行的代碼，主存的容量比寄存器和閃存大很多，速度相對比較慢。主存一掉電，其中的數據就會丟失，而且主存容量仍然小於硬盤容量，所以我們需要保存數據到硬盤上。
所以越靠近CPU，讀取速度越快，存儲容量越小。

操作系統在內存中的目標

1.抽象：應用程序在內存中運行時，由於OS的管理，能夠不用考慮過多的底層細節（不需考慮物理內存在哪，外設在哪）只需要掌握一個連續的地址空間（邏輯地址空間）。
2.保護：內存中可以同時運行多個應用程序，多個不同的應用程序相互之間可能會訪問彼此的地址空間，所以我們需要隔離這些應用程序隔離。這個機制的實現就需要OS來完成。
3共享：訪問相同內存，使進程之間可以安全可靠的數據傳遞。
4.虛擬化：當內存中儲存程序比較多時，很容易出現內存不夠的情況。所以我們需要更多的地址空間，我們把最需要放到內存中的數據放在內存中，把那些沒那麼必要的程序暫時放到硬盤中。這個管理過程我們希望對應用程序透明，同時令應用程序儘量用所需要的數據和空間。這個過程就是虛擬化。

地址空間&地址生成

有兩種地址空間。物理/邏輯地址空間（連續的物理地址空間）
物理地址空間和硬件直接對應，比如內存條代表的主存和硬盤代表的另一種存儲空間。
邏輯內存空間是一個運行中的程序所看到的內存空間，相對而言嗎他看到的地址空間更加簡單（線性的），我們的應用程序因此很容易去訪問和做控制及數據訪問操作。圖中的指令最終一定會放在主存或者硬盤中，現在位於箭頭指向的程序中的某一位置。這個映射關係是需要OS進行管理的。
我們在機器裏，總線上看到的地址是物理地址。所有的物理地址構成的空間由硬件支持的。
邏輯地址空間的生成

C程序變爲彙編語言再變成機器語言，他會把編的函數名和符號名變成新的地址。.o程序起始地址全都是從零開始，裏面的函數名和符號名都會變成相應的地址。另外一個編譯過程中用到的工具lniker會把多個.0程序變成單一的應用程序，這個程序可以在內存中執行但是目前還存在硬盤中的程序，最後一步，放在硬盤中的執行程序再通過loader放到內存中去運行，這一步需要去完成一個分配邏輯地址的工作。相對於執行程序而言，地址會有一定的偏移量，可以爲0，然後所有的程序會依照偏移量進行正確的訪問和指令的操作。
程序放到內存中去後，他仍然是一個邏輯地址，而不是物理地址。

地址空間的定義

映射關係完成了一個從邏輯地址到物理地址的映射，一個邏輯地址具體的對應的物理地址知道了的話，就可以從具體的外設中讀寫數據。
流程描述：當CPU需要某條指令時，當前指令需要ALU，會將相應參數傳給ALU。CPU裏的MMU會去查找邏輯地址的映射表中是否有對應的物理地址，如果有直接找到對應地址；沒有的話，就會去內存中找。找到後會給CPU發出請求，需要某條物理地址的指令內容，主存會把內存的內容通過總線傳給CPU，然後CPU開始執行指令。這過程裏OS起到的作用就是：1，在這些步驟之前需要建好這個映射關係表，這就是物理地址生成的過程。這個關係可以放在內存中由CPU來緩存，可以加快這個訪問的過程。

操作系統的作用

操作系統需要確保放到內存中的程序之間不能相互干擾，爲此需要保證每個程序訪問的地址程序是合法的（限制在約束範圍之內的）。限制和約束也由OS完成。
一個程序可以有效訪問的地址空間：1，起始地址；2，長度（有一塊區域屬於這個程序的合理訪問區間，超出這個範圍，那麼這個程序的訪問就不合法）。邏輯地址如果不滿足區域限制，CPU會產生一個內存訪問異常，OS將會進一步處理這個問題；滿足則正常的去找到對應物理地址的位置，從中取出指令的數據。