1.计算机概述（构成、指令、中断）

时间：5个小时

目标：复习第一节、生成笔记

深度：理解复述、以 PPT 笔记为主，结合课本速通

工具：4.0、课本、PPT

课程学习深度

eg.1000100 表示+,其他不用管

1. 计算机体系结构

●   OS 向应用程序提供的接口 — — 系统调用(应用要实现该功能需要该接口)

●   扩充：API 和系统调用的联系和区别

①二者都是软件组件之间的接口

②API 用于任何软件组件之间的交互，系统调用特指应用程序与操作系统之间的交互

①API 和系统调用都是为了实现软件组件之间的交互而设计的，二者都为软件组件提供了一个接 O,   使得一个组件可以与另一个组件交互

●    如果说某个功能是硬件实现的，则说明该功能的实现是由底层物理电路结构决定的；

●    如果说某个功能是软件实现的，则说明该功能是由程序员通过指令编程实现。

●    没有 OS,  计算机所暴露的是指令系统

●    X86 向后兼容

●    一条质量完不成复杂的工作，诞生了，应用程序

P 问题：算法问题=>多项式=>+*/%

NP 问题：可能不能快速地找到一个解，但如果给我们一个潜在的解，我们可以在多项式时间内验证 它是否正确。  (经常说算力不够)

2. 计算机的基本构成

●   外设和外围设备知道不是一个东西，CPU 直接控制外设，外设控制外围设备

●   计算机要显示东西=>CPU 控制显卡=>显卡控制显示器呈现(显示器上灯泡怎么亮) CPU->存储器+I/O设备(->外围设备)

●  

●   PC 寄存器：保存下一条指令的地址

●   IR (通用叫法):保存当前即将执行的指令

●   寄存器存储效率非常高

●   执行单元核心是运算器(算术逻辑单元：算术运输、逻辑运算)

●    FPC 、IR 等 CPU 中特殊的寄存器

●   现在一般是64位寄存器

●   “外设指的是控制器，外围设备受外设控制”时，这实际上是一个简化的描述。更准确地说，外围设 备是实际执行任务的设备(如显示、打印、存储等),而控制器是负责管理这些设备与计算机主系统 之间通信的硬件接口。

●   CPU 视角不同I/O设备都类似

●   l/0模块是一个一个端口，主存是一个一个内存单元。(端口的结构与内存类似)

●   所有外设的寄存器映射为端口，并进行统 一 的编址。(CPU通过I/O指令对端口进行读和写)

●   显卡有显存

3.  指 令

●  操作码+地址

●  学习时一般用16进制表示二进制数

●  

●  地址反映内存大小

 

●  

从高往低读取

①  PC:300>1940、1—  存入 AC、940->0003、AC(0003)

② PC(302)->5942、5—相加、942->0002、AC(00o5)

③  PC(304)->2942、2—   写入、942(05)943(00)

●  指令的分类：

①  访存指令：在 CPU 和内存之间进行数据传递。

②  1/0指令：在 CPU 和1/0设备之间进行数据传递。

③  数据处理指令：进行数据计算

④  控制指令：进行一些控制工作，例如跳转指令，可以改变 PC 寄存器的值从而实现跳转。

●   程序=指令+数据(指令操作的对象)

●   I/O

①  程序在运行前需要通过输入设备将程序的指令和数据载入到内存中。

②  程序在运行中有时也需要利用输入设备从外部读取数据。

③  程序在运行中有时需要通过输出设备将数据写入外部，例如显示器、磁盘等。

●   程序在进行计算时 CPU 在工作。程序在进行I/O时，CPU 处于空闲状态，相应的I/O控制器在工作。

●   程序执行时，不断地I/O与计算交互

●   I/O时 ，CPU 是空闲的->中断

4. 中断

●   中断技术允许其他模块(如1/0 设备)中断处理器的正常处理过程。

●   

●   

●   为什么要使用中断

① 程序进行I/O时CPU处于空闲状态

② CPU 需要不断读取I/O状态，以判断I/O是否结束，无法执行程序的其它指令，程序执行的效率低下

●   目标：程序在进入I/O阶段后， CPU 执行程序的其它指令。

●   问题：若 CPU 在程序I/O时执行其它指令，如何判断I/O是否结束? 

●   作用：

①  当I/O结束后，I/O控制器向 CPU 发送中断信号通知CPU。

②  CPU 收到中断信号后中断当前执行的指令，转而去进行中断处理(执行1/0之后的必要指令)。 

③  当中断处理结束后进行中断返回，继续执行之前中断的指令。

●  中断机制是由硬件提供的，OS 只能使用

●  为了实现中断，需要硬件具备以下几个功能： 

1、处理器能够接收中断信号。

2、为了中断当前执行的程序，处理器必须能够保存现场。在中断处理结束后能炼复现场继续执行 被中断的程序。

3、处理器在发生中断时能够正确的定位到处理中断的程序(中断处理器或中断处理例程)

子问题：由于不同中断的处理程序是不同的，因此处理器必须能够对接收的中断进行区分，并准 确定位到相应的处理程序。

●  1、 接受中断信号

指令的执行周期添加一个新的步骤：检查中断

●  2、 保持现场、恢复现场

为处理器添加 一个新的寄存器，栈指针寄存器 (SP)  。该寄存器保存栈顶的地址。

保存现场(添加新的硬件功能，使其在发生中断时能够自动的将PC寄存器的内容压入栈顶并将PC寄存器设置为中断处理程序第一条指令所在内存单元的地址。)

恢复现场 (设计一条新的指令，该指令实现的功能是将栈顶内容出栈并存至PC 寄存器、将该条指令设置为每个中断处理程序的最后一条指令)

●  

●  简单中断流程：

(硬件、软件

系统硬件产生中断->处理器结束当前指令>处理器发生中的应答信号>处理器把 PC (和 PSW 即当前运行进  程状态信息等，最少二者)和压入控制栈>根据中断，处理器加载新PC值>保存剩余的处理状态信息->处理中断->恢复处理状态信息->恢复I旧 PSW 和 PC)

中断产生->中断当前指令>压栈>查中断表加载新 PC值->处理中断->恢复现场

Eg.

区分中断、定位处理程序：

① 为中断编号，发送给处理器的中断请求都包含一个id, 用以区分中断的类型。

②  将各中断处理程序的首地址存放到中断向量表(一个数组)中，并按照编号进行排列。 

③  在处理器中增加一个新的寄存器，用于存放中断向量表的首地址。