操作系统（Operating Systems)学习心得

学校开设了操作系统课程，本文为该课程的学习心得。。

Chapter 1
OS- Interface to hardware
Keep in mind the breadth of systems
-Mainframe
-Personal Computer
-Mobile Platforms

操作系统，利用硬件来处理进程，提供服务器和用户的系统，管理硬盘（secondary memory）和I/O驱动。

    图1.1描述上层组成，每一个进程的功能是和memory交换数据，为达到这个目的，需要两个中心寄存器：MAR（ memory address register）标注下一个将要读取的指令地址；I/OAR 
存贮模型包括一串连续地址，每一个地址都指向一条指令或是数据，I/O模型从外部读取数据并传送到进程和memory中，反之亦然。
一个程序包括一系列的在内存（memory）中的指令，分为取指和执行两部。

**Interrupts 中断**
Provided to improve processor utilization，中断可以提高进程利用率。
一般来说，I/O的读写速度要慢于进程，如果进程要给一个打字机用指令循环传输数据的话，  每写一个运算符，进程必须等待I/O完成气任务；降低等待时间，就能够提升进程利用率了！
举一个具体的栗子吧！假设有一台1GHz的电脑可以粗略的每秒钟执行1000000000条指令, 一般的硬盘每分钟7200转，转速是4ms，是进程处理速度的4百万分之一。

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   中断指令添加在指令循环中，处理器会检查是否由中断发生，如果没有中断，处理器会进入读取阶段，一般来说只会检测到自然中断。比如我们的栗子：在检测I/O 模型时中断，可能分出新的程序来为I/O写更多的数据，当中断处理完成时，处理器可以执行用户的程序在中断指针那个位置。
   ![图三](https://img-blog.youkuaiyun.com/20170517210155915?watermark/2/text/aHR0cDovL2Jsb2cuY3Nkbi5uZXQvbGVvX3F1ZWVm/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70/gravity/SouthEast)
   在中断处，处理器忙于执行其他指令在I/O操作在运行时。由图三，用户的项目收到一个指向调用系统WRITE的指针，I/O被唤醒进行写的操作，操作完成后“话筒”传回用户程序，继续执行，当再次想要调用I/O时，发现I/O 繁忙，只能等待I/O，当外部驱动（I/O）可以服务时，I/O模型为那个外部装置给用户发送中断请求信号。

   Memory Hierarchy
   major constraints in memory
       * amount
       * speed
       * expense

内存必须和处理器保持联系。
对内存的消耗一定合理并和其他组件有关。

存储器层级
从下向上：
减少消耗比特
增加能力
增加传输时间
减少由处理器访问内存的成本

Principle of Locality局部性原理
- Memory references by the processor tend to cluster
(由处理器调用的内存倾向于集群）
-Data is organized so that the percentage of accesses to each successively lower level is substantially less than that of the level above
（数据组织,先后访问每一个低水平的比例大大低于上述水平）
-Can be applied across more than two levels of memory(可以在多余两个内存上存贮）

Cache Memory高速缓冲存储器
-不可见
-与其他存储器管理的硬件相互作用
-处理器必须链接存储器至少通过一个指令循环
-处理器执行受内存循环的时间限制
-利用区域原则，又小又快的存储器。

I/O Techniques
I/O 操作包括以下三个技术：
Programmed I/O 程序化I/O
interrupt-Driven I/O 中断控制I/O
Direct Memory Access （DMA）直存贮

Interrupt-Driven I/O Drawbacks
* Transfer rate is limited by the speed with which the processor can test and service a device
传输速率受限于处理器的速度可以测试和服务设备
* The processor is tied up in managing an I/O transfer
处理器是绑在一个I / O管理传输
每一个I/O传输都由一系列的指令让它执行。

Direct Memory Access(DMA)
当大量的数据被传输时，一个更高效的技术就显得很有必要了，DMA功能可以由一个独立的模块在系统总线上也可以被纳入一个I / O模块。在这两种情况下,技术工作如下。当处理器希望读或写一块数据,它发出一个命令DMA模块,通过DMA模块发送以下信息:
•是否读或写请求
•I / O设备的地址
•起始位置在内存中读取或写入数据的数据
•读写的字数

Symmetric Multiprocessors (SMP)对称多处理器
一个独立的计算机系统有以下特点：
1.两个或更多的处理器来提高运算能力
2.进程分享的同一个主存被一个数据总线（bus）或其他的内部链接组合
3.进程分享相同的I/O设备
4.所有处理器可以实现相同功能
5.系统集成控制的处理器和操作系统,提供互动的项目工作,任务,文件,数据元素的水平

图五说明了SMP的组成。有多个处理器，每一个都包含自己的控制单元，算数逻辑单元和寄存器。每个处理器都有通向主存和I/O设备的接口，共享的数据总线。处理器可以通过连接的内存来相互通讯。

SMP的优势：

• Performance: If the work to be done by a computer can be organized so that some portions of the work can be done in parallel, then a system with multiple processors will yield greater performance than one with a single processor of the same type.
Availability: In a symmetric multiprocessor, because all processors can perform the same functions, the failure of a single processor does not halt the machine. Instead, the system can continue to function at reduced performance.
• Incremental growth: A user can enhance the performance of a system by adding an additional processor.
• Scaling: Vendors can offer a range of products with different price and performance characteristics based on the number of processors configured in the system。
•性能:如果所做的工作需要电脑可以组织这部分工作可以并行完成,然后用多个处理器系统性能将产生超过一个相同类型的处理器。
可用性:在对称多处理器,处理器可以执行相同的函数,因为所有单个处理器的故障不会停止机器。相反,系统可以继续函数在降低性能。
•增量增长:一个用户可以提高系统的性能通过添加额外的处理器。
•缩放:供应商可以提供一系列的产品有不同的价格和性能特征基于系统配置。

Multicore computer