《操作系统原理 教学课件 ppt 作者 周苏 教学课件 第1章 硬件基础》由会员分享，可在线阅读，更多相关《操作系统原理 教学课件 ppt 作者 周苏 教学课件 第1章 硬件基础（133页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、,操作系统原理,by Zhou Su,内容（篇）,1,第1篇 背景知识,1,第1章 硬件基础,第1章 硬件基础,操作系统与运行该系统的计算机硬件联系密切，它利用一个或多个处理器的硬件资源为系统用户提供服务，它还代表用户来管理辅助存储器和输入/输出（Input/Output，I/O）设备，操作系统扩展了计算机指令集并管理计算机资源。因此，在开始学习操作系统之前，回顾和掌握一些底层的计算机系统硬件知识是很重要的。,1.1 硬件的基本构成,现代计算机大都使用电作为能源，并且使用电信号和电路进行数据的表示、处理、存储和移动。观察计算机系统的内部结构，其系统单元通常包含电路板、电源以及存储设备等，一些线
2、缆把这些单元连接起来。 所谓计算机的体系结构，是指计算机系统的设计和构造。按冯诺依曼的定义，计算机的基本组成部件可以分为三大类，即处理器（CPU，又称中央处理单元，主要包括运算器和控制器）、内存（主存储器）和输入/输出设备，每类部件有一个或多个模块。这些部件以某种方式互连，以实现计算机执行程序的主要功能，如图1-1所示。,图1-1 计算机硬件,1.1 硬件的基本构成,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，它被称为中央处理器（CPU）。 内存：存储数据和程序。此类存储器通常是易失性的，即当计算机关机时，存储器的内容会丢失。相对于此的是磁盘存储器（称为外存），当计算机关机
3、时，它的内容不会丢失。 输入/输出模块：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，包括辅助存储器设备（如硬盘）、通信设备和终端。,1.1 硬件的基本构成,总线：是为处理器、内存和输入/输出模块间提供通信的设施。总线包含数据线和地址线，数据线传送表示数据的信号，地址线传送数据的地址。数据总线由一系列连接主板上不同电子器件的电子线路组成，计算机中的数据通常通过数据总线从一个位置移动到另外的位置。计算机依赖于地址总线来寻找所需要处理的数据。如今，单总线已经很难处理总线的交通流量了，其结果是导致出现了其他的总线。，它们处理I/O设备以及CPU到存储器的速度都更快。,1.1 硬件的基本
4、构成,图1-2描述了从顶层看到的部件。处理器的一种功能是和存储器交换数据。为此，它通常使用两个内部（对处理器而言）寄存器：存储器地址寄存器（MAR），用于确定下一次读/写的存储器地址；存储器缓冲寄存器（MBR），用于存放要写入存储器的数据或者从存储器中读取的数据。同理，输入/输出地址寄存器（I/O AR）用于确定一个特定的输入/输出设备，输入/输出缓冲寄存器（I/O BR）用于在输入/输出模块和处理器间交换数据。,图1-2 计算机部件：顶层视图,1.1 硬件的基本构成,内存模块由一组存储单元组成，这些单元由顺序编号的地址定义。每个单元包含一个二进制数，可以解释为一个指令或数据。输入/输出模块在
5、外部设备与处理器和存储器之间传送数据，它包含内存缓冲区，用于临时保存数据，直到它们被发送或接收。 一个较大的Pentium系统的结构如图1-3所示。,图1-3 大型Pentium系统的结构,1.1 硬件的基本构成,图1-3中的系统有8个总线（高速缓存、局部、内存、PCI、SCSI、USB、IDE和ISA），每个总线传输速度和功能都不同。操作系统必须了解所有总线的配置和管理。,1.2 处理器,计算机的主要工作是处理数据，即执行算术运算、排序、制作文档等。中央处理器 （CPU） 是计算机中执行处理数据指令的器件。CPU从内存RAM中接收数据和指令、处理这些指令，再将处理结果送回到RAM中，处理结果
6、可以被显示和存储。 以前，计算机的CPU非常庞大、不可靠，而且要使用大量的电能。1944年制造的ENIAC计算机有20个处理单元，每个处理单元有2in（英寸）宽，8in高，如图1-4所示，可是，今天的处理单元使用毫英寸（0.001in）来度量。,图1-4 电子管计算机的内部,1.2 处理器,大型机CPU通常包含许多集成电路和电路板，而微型计算机CPU是一个称为微处理器的集成电路（图1-5），由三部分组成，即运算逻辑单元、控制器和寄存器，分别执行处理数据的特定任务。,图1-5 2代酷睿 CPU,1.2 处理器,运算逻辑单元（ALU，又称算术逻辑单元或运算器）执行加减等算术操作，以及比较数据是否相
7、等这些逻辑操作。ALU使用寄存器来保存等待处理的数据。在运算中，算术操作或逻辑操作的结果暂时存放在累加器中。数据可以从累加器被发送到RAM，或者被进一步处理。,1.2 处理器,在CPU控制器的协调和控制下，运算器得到数据，并得知要执行的是逻辑运算还是算术运算。控制器使用指令指针来跟踪要处理的指令顺序。借助于指令指针，控制器顺序地从RAM中取出每个指令，并将它们放到特殊的寄存器指令寄存器中。然后，控制器翻译指令以决定要实现的操作。按照指令解释，控制器向数据总线发送信号，从RAM中取数据，并发送信号到运算器进行处理。控制器在很大程度上影响着处理器的处理效率，它要执行一系列的指令。,1.2 处理器,
8、寄存器是用来临时存放数据的高速独立的存储单元，CPU的运算离不开多个寄存器，包括数据寄存器、指令寄存器和程序计数器等。,1.2.1 CPU的性能因素,集成电路技术是制造计算机CPU的基本技术，它的发展使计算机的速度和能力有了极大的改进。1965年，芯片巨人Intel （英特尔） 公司的创始人Gordon Moore给出了著名的“摩尔定律”，他预测芯片上的晶体管数量每隔1824个月就会翻一番。让所有人感到惊奇的是，这个定律非常精确地预测了芯片30年来的发展。1958年第一代集成电路仅仅包含两个晶体管，但是在1999年，奔腾III处理器已经包含了950万个晶体管。,1.2.1 CPU的性能因素,集
9、成的晶体管数量越多，意味着芯片的计算能力越强。各种CPU的速度并不一样，它受到以下几个因素的制约，即时钟频率、字长、高速缓冲存储器以及指令集的大小。当然，使用高性能CPU的计算机系统并不意味着它在各方面都能够提供较高的性能，但如果硬盘速度很慢、没有高速缓冲，且RAM容量小，则执行某些任务也会很慢。,1.2.1 CPU的性能因素,（1）时钟频率 计算机有一个系统时钟。与保存日期和时间的”实时时钟”不同，系统时钟用来定时发出脉冲，以控制所有系统操作的同步(节奏)，设置数据传输和指令执行的速度或频率。 系统时钟的频率决定了计算机执行指令的速度，限制了计算机在一定时间内所能够执行的指令数。衡量时钟频率
10、的单位是兆赫 （MHz） 。最初IBM PC的微处理器的时钟频率是4.77MHz，现在微处理器的执行速度已经超过600MHz。CPU的时钟频率越高，意味着处理速度越快。,1.2.1 CPU的性能因素,（2）字长 字长是CPU可以同时处理的位数，由CPU寄存器的大小和总线的数据线个数所决定。例如，字长为32位的CPU被称为32位处理器，它的寄存器是32位的，可以同时处理32位数据。 字长较长的计算机在一个指令周期中要比字长短的计算机处理更多数据。单位时间内处理的数据越多，处理器的性能就越高。比如，最初的微机使用8位处理器，现在都是64位处理器。,1.2.1 CPU的性能因素,影响CPU性能的另一
11、个因素是高速缓冲存储器（图1-6）。由于CPU的速度非常快，所以它的大部分时间都在等待与RAM传送数据。使用高速缓冲存储器可以使CPU一旦请求就可以迅速访问到数据。后面还将详细介绍这个概念。,图1-6 高速缓冲存储器,1.2.2 微处理器的发展,微处理器可以被容纳在一个芯片上，它的发明为台式计算机和笔记本计算机带来了一场硬件革命。尽管最初阶段微处理器的处理速度比多芯片处理器都要慢一些，然而它们不断发展，今天的微处理器在进行大多数计算时的运算速度都非常快，这要归功于在硬件上的交互信息的时间已经缩短到了纳秒量级。,1.2.2 微处理器的发展,如今，微处理器不仅成为最快的通用处理器，还发展成了多重处
12、理器；每个芯片（称为一个底座）上面容纳了多个处理器（称为芯层，内核），每个处理器上有多层的大容量缓存存储，而且多个处理器之间共享内核的执行单元。一个双核或者四核的笔记本计算机已经较为常见，每个核甚至可以配两个硬件线程，使得逻辑处理器的总数达到了48个。,1.2.2 微处理器的发展,尽管处理器在大多数的计算形式上提供了非常好的处理能力，但是，人们对数值计算的需求也是与日俱增的。图形处理单元提供了对于应用单指令多数据结构技术的顺序数据的有效计算，它不仅用于高级图形处理，现在也应用于一般的数值处理中，如游戏的物理仿真或大型电子数据表的计算。同时，CPU本身应用了日益增长的、集成了庞大向量单位的x86
13、和AMD64处理器结构，以此来增加对可操作数据集的容量。,1.2.2 微处理器的发展,处理器家族中的数字信号处理器主要是对流信号进行处理，例如音频和视频。其他专门的计算装置（固定功效单位）与CPU共存，用来支持其他标准的一些计算，例如编码/解码语音和视频（多媒体数字信号编解码器），或者用来提供对加密和安全技术的支持。 为了满足移动终端的需求，传统的微处理器正在被片上系统所取代。片上系统的概念不仅仅指CPU和高速缓存在一个芯片上，而且系统中的多数其他硬件也在这个芯片上，如数字信号处理器、图像处理单元、I/O装置（如无线电和多媒体数字信号编码解码器）和内存。,1.2.2 微处理器的发展,Intel
14、公司是当今世界上最大的芯片制造商，PC机中相当多的微处理器都是由它制造的。1971年，Intel公司推出了世界上第一个微处理器4004。Intel的8088处理器曾为早期的IBM PC机带来了强大性能。自从1981年IBM PC机登上历史舞台以来，Intel不断推出为多数计算机生产商所选用的微处理器。,1.2.2 微处理器的发展,AMD公司是Intel公司在PC机芯片市场上最大的对手。AMD的羿龙（Phenom）处理器与Intel的酷睿2四核（Core 2 Quad）处理器针锋相对；而AMD的速龙X2*（Athlon X2）处理器则直接与Intel的酷睿2双核（Core 2 Duo）处理器竞争
15、（见表1-1）。AMD处理器要比同性能的Intel处理器便宜，而且在某些方面会有一些性能优势。,表1-1 流行的服务器、桌面计算机和移动设备的微处理器,1.2.2 微处理器的发展,摩托罗拉公司和IBM公司曾经为苹果公司的计算机提供大部分芯片，但2005年苹果公司转而投向Intel阵营。IBM为服务器和其他高性能计算机生产基于RISC技术的POWER处理器。 市场上与当前一系列计算机配套的微处理器基本都能满足商业、教育和娱乐应用程序的需求。通常在进行计算机三维动画游戏、桌面出版、多曲目声音录制和视频编辑等需要大量使用微处理器的应用时，要考虑使用Intel公司或者AMD公司提供的最快的处理器。,1
16、.3 指令与指令周期,处理器执行的程序是由一组保存在存储器中的指令（简单步骤）组成的。指令控制计算机执行特定的算术、逻辑或控制运算。按最简单的形式，指令处理包括两步：处理器从存储器中一次读（取）一条指令，然后执行每条指令。程序执行是由不断重复的取指令和执行指令的过程组成的。指令执行可能涉及很多操作，具体取决于各条指令本身。,1.3.1 指令集,一条指令可以分为两部分：操作码和操作数。操作码就是一个类似累加、比较或跳转等操作的控制字。指令的操作数给出了需要处理的数据或数据的地址。 例如，在JMP M1这条指令中，操作码是JMP，操作数是M1。JMP意味着跳转到另外一条指令，M1是将要执行的指令的内存地址。指令JMP M1只有一个操作数，也有很多指令有多个操作数，例如：指令ADD REG1 REG2就包含了两个操作数：REG1和REG2。,1.3.1 指令集,CPU可以执行的指令集合称为指令集，计算机要执行的任务必须由指令集中有限的指令通过组合而得到。表1-2给出了一个简单的指令集，计算机使用这些指令来完成几乎所有的任务。,表1-2 简单指令集,1.3.2 指令
