图解系统第一章硬件结构（小林coding）
学习自小林coding
冯诺依曼模型
内存
程序（指令）和数据都是存储在内存，存储的区域是线性的。
数据存储的单位是?个?进制位（bit），即 0 或 1。最?的存储单位是字节（byte），1 字节等于 8 位。
内存的地址是从 0 开始编号的，然后?增排列，最后?个地址为内存总字节数 - 1，这种结构好似我们程序
?的数组，所以内存的读写任何?个数据的速度都是?样的
中央处理器
位宽大能计算更?的数值
32位能操作4GB内存?
寄存器
通?寄存器，?来存放需要进?运算的数据，?如需要进?加和运算的两个数据。
程序计数器PC，?来存储 CPU 要执?下?条指令「所在的内存地址」，注意不是存储了下?条要执?
的指令，此时指令还在内存中，程序计数器只是存储了下?条指令的地址。
指令寄存器，?来存放程序计数器指向的指令，也就是指令本身，指令被执?完成之前，指令都存储
在这?。
总线
- 地址总线，?于指定 CPU 将要操作的内存地址；
- 数据总线，?于读写内存的数据；
- 控制总线，?于发送和接收信号，?如中断、设备复位等信号，CPU 收到信号后?然进?响应，这时也需要控制总线
输入输出设备IO
需要用到控制总线
程序执?的基本过程
- 第?步，CPU 读取程序计数器PC的值，这个值是指令的内存地址，然后 CPU 的「控制单元」操作
「地址总线」指定需要访问的内存地址，接着通知内存设备准备数据，数据准备好后通过「数据总
线」将指令数据传给 CPU，CPU 收到内存传来的数据后，将这个指令数据存?到「指令寄存器」。 - 第?步，CPU 分析「指令寄存器」中的指令，确定指令的类型和参数，如果是计算类型的指令，就把
指令交给「逻辑运算单元」ALU运算；如果是存储类型的指令，则交由「控制单元」CU执?； - 第三步，CPU 执?完指令后，「程序计数器」的值?增，表示指向下?条指令。这个?增的??，由
CPU 的位宽决定，?如 32 位的 CPU，指令是 4 个字节，需要 4 个内存地址存放，因此「程序计数
器」的值会?增 4；
CPU 从程序计数器读取指令、到执?、再到下?条指令，这个过程会不断循环，直到程序执?结束，这个
不断循环的过程被称为 CPU 的指令周期
程序执?的具体过程
从高级语言
编译成汇编语言再翻译成机器语言 也就是计算机指令
代码段 数据段
指令 指令集
编译器在编译程序的时候，会构造指令，这个过程叫做指令的编码。CPU 执?程序的时候，就会解析指
令，这个过程叫作指令的解码
流水线
现代?多数 CPU 都使?了流?线的?式来执?指令，所谓的流?线就是把?个任务拆分成多个?任务，于
是?条指令通常分为 4 个阶段，称为 4 级流?线
- CPU 通过程序计数器读取对应内存地址的指令，这个部分称为 Fetch（取得指令）；
- CPU 对指令进?解码，这个部分称为 Decode（指令译码）；
- CPU 执?指令，这个部分称为 Execution（执?指令）；
- CPU 将计算结果存回寄存器或者将寄存器的值存?内存，这个部分称为 Store（数据回写）；
上?这 4 个阶段，我们称为指令周期（Instrution Cycle），CPU 的?作就是?个周期接着?个周期，周
?复始
指令的类型
- 数据传输类型的指令，?如 store/load 是寄存器与内存间数据传输的指令，
- mov 是将?个内存地址的数据移动到另?个内存地址的指令；
- 运算类型的指令，?如加减乘除、位运算、?较??等等，它们最多只能处理两个寄存器中的数据；
- 跳转类型的指令，通过修改程序计数器的值来达到跳转执?指令的过程，?如编程中常?的 ifelse 、 swtich-case 、函数调?等。
- 信号类型的指令，?如发?中断的指令 trap ；
- 闲置类型的指令，?如指令 nop ，执?后 CPU 会空转?个周期
指令的执行速度
程序的CPU执行时间=指令数 (编译器)x 每条指令的平均时钟周期数（Cycles PerInstruction，简称 CPI 用流水线技术） x 时钟周期时间（硬件 GHz）
存储器
电脑存储结构
Cache SRAM 内存 DRAM
L1、L2、L3
只和相邻存储器打交道
Cache
Linux查cat
CPU Cache 的数据结构和读取过程
Cache从内存读取是一块一块读的 这样??块??块的数据，称为 Cache Line（缓存块）
直接映射
把内存块的地址始终「映射」在?个 CPU Line（缓存块） 的地
址，?于映射关系实现?式，则是使?「取模运算」，取模运算的结果就是内存块地址对应的 CPU Line（缓存块） 的地址
Linux查
执行得更快 ->提高缓存命中率
CPU缓存一致性
CPU如何执行任务
中断
概念
在计算机中，中断是系统?来响应硬件设备请求的?种机制，操作系统收到硬件的中断请求，会打断正在执?的进程，然后调?内核中的中断处理程序(中断服务函数)来响应请求
中断是?种异步的事件处理机制，可以提?系统的并发处理能?
操作系统收到了中断请求，会打断其他进程的运?，所以中断请求的响应程序，也就是中断处理程序，要尽可能快的执?完，这样可以减少对正常进程运?调度地影响。
?且，中断处理程序在响应中断时，可能还会「临时关闭中断」，这意味着，如果当前中断处理程序没有执?完之前，系统中其他的中断请求都?法被响应，也就说中断有可能会丢失，所以中断处理程序要短且快。
软中断
Linux 系统为了解决中断处理程序执?过?和中断丢失的问题，将中断过程分成了两个阶段，分别是「上半部和下半部分」。
- 上半部?来快速处理中断，?般会暂时关闭中断请求，主要负责处理跟硬件紧密相关或者时间敏感的事情。
- 下半部?来延迟处理上半部未完成的?作，?般以「内核线程」的?式运?。
?般对于?络 I/O ?较?的 Web 服务器， NET_RX ?络接收中断的变化速率相?其他中断类型快很多。
中断处理程序的上部分和下半部可以理解为：
*上半部直接处理硬件请求，也就是硬中断，主要是负责耗时短的?作，特点是快速执?；
*下半部是由内核触发，也就说软中断，主要是负责上半部未完成的?作，通常都是耗时?较?的事情，特点是延迟执?