操作系统中cpu如何工作

扩充小知识：

这些硬件设备在一条总线上链接，他们通过这条线进行数据交互，里面的带头大哥就是CPU，拥有最高指挥权。那么它是如何工作的呢？

　　A.取指单元（从内存中取得指令）；

　　B.解码单元（完成解码[讲内存中取到的数据转换成CPU真正能运行的指令]）；

　　C.执行单元（开始执行指令，根据指令的需求去调用不同的硬件去干活。）；

我们通过上面知道了MMU是CPU的一部分，但是CPU有还要其他的部件吗？当然是有的啦，比如指令寄存器芯片，指令计数器芯片，堆栈指针。

　　指令寄存器芯片：就是CPU用于将内存中的数据取出来存放的地方；

　　指令计数器芯片：就是CPU为了记录上一次在内存中取数据的位置，方便下一次取值；

　　堆栈指针：CPU每次取完指令后，就会把堆栈指针指向下一个指令在内存中的位置。

　　他们的工作周期和CPU是一样快的速度，跟CPU的工作频率是在同一个时钟周期下，因此他的性能是非常好的，在CPU内部总线上完成数据通信。指令寄存器芯片，指令计数器芯片，堆栈指针。这些设备通常都被叫做CPU的寄存器。

　　寄存器其实就是用于保存现场的。尤其是在时间多路复用尤为明显。比如说CPU要被多个程序共享使用的时候，CPU经常会终止或挂起一个进程，操作系统必须要把它当时的运行状态给保存起来（方便CPU一会回来处理它的时候可以继续接着上次的状态干活。）然后继续运行其他进程（这叫计算机的上下文切换）。

三.计算机的存储体系。

1.对称多处理器SMP

　　CPU里面除了有MMU和寄存器（接近cpu的工作周期）等等，还有cpu核心，正是专门处理数据的，一颗CPU有多个核心，可以用于并行跑你的代码。工业上很多公司采用多颗CPU，这种结构我们称之为对称多处理器。

2.程序局部性原理

　　空间局部性：

　　　　程序是由指令和数据组成的。空间局部性指的是一个数据被访问到之后，那么离这个数据很近的其他数据随后也可能会被访问到。

　　时间局部性：

　　　　一般而言当一个程序执行完毕后，可能很快会被访问到。数据也是同样的原理，一个数据的被访问到，很可能会再次访问到。

　　正是因为程序局部性的存在，所以使得无论是在空间局部性或者时间的局部性的角度来考虑，一般而言我们都需要对数据做缓存。

扩充小知识：

　　由于CPU内部的寄存器存储的空间有限，于是就用了内存来存储数据，但是由于CPU和速度和内存的速度完全不在一个档次上，因此在处理的数据的时候回到多数都在等（CPU要在内存中取一个数据，cpu转一圈的时间就可以处理完，内存可能是需要转20圈）。为了解决使得效率更加提高，就出现了缓存这个概念。

　　既然我们知道了程序的局部性原理，有知道了CPU为了获得更多的空间其实就是用时间去换空间，但是缓存就是可以直接让cpu拿到数据，节省了时间，所以说缓存就是用空间去换时间

3.就算进存储体系

　　工作时间就的朋友可能见过磁带机，现在基本上都被OUT了，企业很多都用机硬盘来替代磁带机了，所以我们这里就从我们最熟悉的家用电脑的结构来说，存下到上一次存储数据是不一样。我们可以简单举个例子，他们的周存储周期是有很大差距的。尤为明显的是机械硬盘和内存，他们两个存取熟读差距是相当大的。

扩充小知识：

　　相比自己家用的台式机或是笔记本可能自己拆开过，讲过机械式硬盘，固态硬盘或是内存等等。但是可能你没有见过缓存物理设备，其实他是在CPU上的。因此我们对它的了解可能会有些盲区。

先说说一级缓存和耳机缓存吧，他们的CPU在这里面取数据的时候时间周期基本上查不了多少，因一级缓存和二级缓存都在CPU核心内部资源。（在其他硬件条件相同的情况下。一级缓存128k可能市场价格会买到300元左右，、一级缓存256k可能会买到600元左右，一级缓存512k可能市场价格就得过四位数这个具体价格可以参考京东啊。这足以说明缓存的造价是非常高的！）这个时候你可能会问那三级缓存呢？其实三级缓存就是就是多颗CPU共享的空间。当然多颗cpu也是共享内存的。

4.非一致性内存访问（NUMA）

　　我们知道当多颗cpu共享三级缓存或是内存的时候，他们就会出现了一个问题，即资源征用。我们知道变量或是字符串在内存中被保存是有内存地址的。他们是如何去领用内存地址呢？我们可以参考下图：

　　没错，这些玩硬件的大牛们将三级缓存分割，分别让不同的CPU占用不同的内存地址，这样我们可以理解他们都有自己的三级缓存区域，不会存在资源抢夺的问题，但是要注意的是他们还是同一块三级缓存。就好像北京市有朝阳区，丰台区，大兴区，海淀区等等，但是他们都是北京的所属地。我们可以这里理解。这就是NUMA，他的特性就是：非一致性内存访问，都有自己的内存空间。

扩展小知识：

　　那么问题来了，基于重新负载的结果，如果cpu1运行的进程被挂起，其地址在他自己的它的缓存地址是有记录的，但是当cpu2再次运行这个程序的时候被CPU2拿到的它是如何处理的呢？

　　这就没法了，只能从CPU1的三级换粗区域中复制一份地址过来一份或是移动过来一份让CPU2来处理，这个时候是需要一定时间的。所以说重新负载均衡会导致CPU性能降低。这个时候我们就可以用进程绑定来实现，让再次处理该进程的时候还是用之前处理的CPU来处理。即进程的CPU的亲缘性。

5.缓存中的通写和回写机制。

　　CPU在处理数据的地方就是在寄存器中修改，当寄存器没有要找的数据是，就会去一级缓存找，如果一级缓存中没有数据就会去二级缓存中找，依次查找知道从磁盘中找到，然后在加载到寄存器中。当三级缓存从内存中取数据发现三级缓存不足时，就会自动清理三级缓存的空间。

　　我们知道数据最终存放的位置是硬盘，这个存取过程是由操作系统来完成的。而我们CPU在处理数据是通过两种写入方式将数据写到不同的地方，那就是通写（写到内存中）和回写（写到一级缓存中）。很显然回写的性能好，但是如果断电的话就尴尬了，数据会丢失，因为他直接写到一级缓存中就完事了，但是一级缓存其他CPU是访问不到的，因此从可靠性的角度上来说通写方式会更靠谱。具体采用哪种方式得你自己按需而定啦。

四.IO设备

1.IO设备由设备控制器和设备本身组成。

　　设备控制器：集成在主板的一块芯片活一组芯片。负责从操作系统接收命令，并完成命令的执行。比如负责从操作系统中读取数据。

　　设备本身：其有自己的接口，但是设备本身的接口并不可用，它只是一个物理接口。如IDE接口。

扩展小知识：

　　每个控制器都有少量的用于通信的寄存器（几个到几十个不等）。这个寄存器是直接集成到设备控制器内部的。比方说，一个最小化的磁盘控制器，它也会用于指定磁盘地址，扇区计数，读写方向等相关操作请求的寄存器。所以任何时候想要激活控制器，设备驱动程序从操作系统中接收操作指令，然后将它转换成对应设备的基本操作，并把操作请求放置在寄存器中才能完成操作的。每个寄存器表现为一个IO端口。所有的寄存器组合称为设备的I/O地址空间，也叫I/O端口空间，

2.驱动程序

　　真正的硬件操作是由驱动程序操作完成的。驱动程序通常应该由设备生产上完成,通常驱动程序位于内核中，虽然驱动程序可以在内核外运行，但是很少有人这么玩，因为它太低效率啦！

3.实现输入和输出

　　设备的I/O端口没法事前分配，因为各个主板的型号不一致，所以我们需要做到动态指定。电脑在开机的时候，每个IO设备都要想总线的I/o端口空间注册使用I/O端口。这个动态端口是由所有的寄存器组合成为设备的I/O地址空间，有2^16次方个端口，即65535个端口。

　　如上图所示，我们的CPU有要想跟指定设备打交道，就需要把指令传给驱动，然后驱动讲CPU的指令转换成设备能理解的信号放在寄存器中（也可以叫套接字，socket）.所以说寄存器（I/O端口）是CPU通过总线和设备打交道的地址（I/O端口）。