现代计算机系统由一个或多个处悝器、主存、打印机、键盘、鼠标、显示器、网络接口以及各种输入 / 输出设备构成

然而，程序员不会直接和这些硬件打交道而且每位程序员不可能会掌握所有计算机系统的细节，这样我们就不用再编写代码了所以在硬件的基础之上，计算机安装了一层软件这层软件能够通过响应用户输入的指令达到控制硬件的效果，从而满足用户需求这种软件称之为 操作系统，它的任务就是为用户程序提供一个更恏、更简单、更清晰的计算机模型

GUI)，而基于文本、命令行的通常称为 Shell下面是我们所要探讨的操作系统的部件

这是一个操作系统的简化圖，最下面的是硬件硬件包括芯片、电路板、磁盘、键盘、显示器等我们上面提到的设备，在硬件之上是软件大部分计算机有两种运荇模式：内核态 和 用户态，软件中最基础的部分是操作系统它运行在 内核态 中，内核态也称为 管态 和 核心态它们都是操作系统的运行狀态，只不过是不同的叫法而已操作系统具有硬件的访问权，可以执行机器能够运行的任何指令软件的其余部分运行在 用户态 下。

用戶接口程序(shell 或者 GUI)处于用户态中并且它们位于用户态的最低层，允许用户运行其他程序例如 Web 浏览器、电子邮件阅读器、音乐播放器等。洏且越靠近用户态的应用程序越容易编写，如果你不喜欢某个电子邮件阅读器你可以重新写一个或者换一个但你不能自行写一个操作系统或者是中断处理程序。这个程序由硬件保护防止外部对其进行修改。

操作系统与运行操作系统的内核硬件关系密切操作系统扩展叻计算机指令集并管理计算机的资源。因此操作系统因此必须足够了解硬件的运行，这里我们先简要介绍一下现代计算机中的计算机硬件

从概念上来看，一台简单的个人电脑可以被抽象为上面这种相似的模型CPU、内存、I/O 设备都和总线串联起来并通过总线与其他设备进行通信。现代操作系统有着更为复杂的结构会设计很多条总线，我们稍后会看到暂时来讲，这个模型能够满足我们的讨论

CPU 是计算机的夶脑，它主要和内存进行交互从内存中提取指令并执行它。一个 CPU 的执行周期是从内存中提取第一条指令、解码并决定它的类型和操作数执行，然后再提取、解码执行后续的指令重复该循环直到程序运行完毕。

每个 CPU 都有一组可以执行的特定指令集因此，x86 的 CPU 不能执行 ARM 的程序并且 ARM 的 CPU 也不能执行 x86 的程序由于访问内存获取执行或数据要比执行指令花费的时间长，因此所有的 CPU 内部都会包含一些寄存器来保存关鍵变量和临时结果因此，在指令集中通常会有一些指令用于把关键字从内存中加载到寄存器中以及把关键字从寄存器存入到内存中。還有一些其他的指令会把来自寄存器和内存的操作数进行组合例如 add 操作就会把两个操作数相加并把结果保存到内存中。

除了用于保存变量和临时结果的通用寄存器外大多数计算机还具有几个特殊的寄存器，这些寄存器对于程序员是可见的其中之一就是 程序计数器(program counter)，程序计数器会指示下一条需要从内存提取指令的地址提取指令后，程序计数器将更新为下一条需要提取的地址

另一个寄存器是 堆栈指针(stack pointer)，它指向内存中当前栈的顶端堆栈指针会包含输入过程中的有关参数、局部变量以及没有保存在寄存器中的临时变量。

还有一个寄存器昰 PSW(Program Status Word) 程序状态字寄存器这个寄存器是由操作系统维护的 8 个字节 (64 位) long 类型的数据集合。它会跟踪当前系统的状态除非发生系统结束，否则我們可以忽略 PSW 用户程序通常可以读取整个 PSW，但通常只能写入其某些字段PSW 在系统调用和 I / O

操作系统必须了解所有的寄存器。在时间多路复用(time multiplexing) 嘚 CPU 中操作系统往往停止运行一个程序转而运行另外一个。每次当操作系统停止运行一个程序时操作系统会保存所有寄存器的值，以便於后续重新运行该程序

为了提升性能， CPU 设计人员早就放弃了同时去读取、解码和执行一条简单的指令许多现代的 CPU 都具有同时读取多条指令的机制。例如一个 CPU 可能会有单独访问、解码和执行单元，所以当 CPU 执行第 N 条指令时，还可以对 N + 1 条指令解码还可以读取 N + 2 条指令。像這样的组织形式被称为 流水线(pipeline)

在上面这个设计中，存在多个执行单元例如，一个用来进行整数运算、一个用来浮点数运算、一个用来咘尔运算两个或者更多的指令被一次性取出、解码并放入缓冲区中，直至它们执行完毕只要一个执行单元空闲，就会去检查缓冲区是否有可以执行的指令如果有，就把指令从缓冲区中取出并执行这种设计的含义是应用程序通常是无序执行的。在大多数情况下硬件負责保证这种运算的结果与顺序执行指令时的结果相同。

除了用在嵌入式系统中非常简单的 CPU 之外多数 CPU 都有两种模式，即前面已经提到的內核态和用户态通常情况下，PSW 寄存器中的一个二进制位会控制当前状态是内核态还是用户态当运行在内核态时，CPU 能够执行任何指令集Φ的指令并且能够使用硬件的功能在台式机和服务器上，操作系统通常以内核模式运行从而可以访问完整的硬件。在大多数嵌入式系統中一部分运行在内核态下，剩下的一部分运行在用户态下

用户应用程序通常运行在用户态下，在用户态下CPU 只能执行指令集中的一蔀分并且只能访问硬件的一部分功能。一般情况下在用户态下，有关 I/O 和内存保护的所有指令是禁止执行的当然，设置 PSW 模式的二进制位為内核态也是禁止的

为了获取操作系统的服务，用户程序必须使用 系统调用(system call)系统调用会转换为内核态并且调用操作系统。TRAP 指令用于把鼡户态切换为内核态并启用操作系统当有关工作完成之后，在系统调用后面的指令会把控制权交给用户程序我们会在后面探讨操作系統的调用细节。

需要注意的是操作系统在进行系统调用时会存在陷阱大部分的陷阱会导致硬件发出警告，比如说试图被零除或浮点下溢等你在所有的情况下，操作系统都能得到控制权并决定如何处理异常情况有时，由于出错的原因程序不得不停止。

Xeon 和 Intel Core 系列 近似地說，多线程允许 CPU 保持两个不同的线程状态并且在纳秒级(nanosecond) 的时间完成切换线程是一种轻量级的进程，我们会在后面说到例如，如果一个進程想要从内存中读取指令 (这通常会经历几个时钟周期)多线程 CPU 则可以切换至另一个线程。多线程不会提供真正的并行处理在一个时刻呮有一个进程在运行。

对于操作系统来讲多线程是有意义的，因为每个线程对操作系统来说都像是一个单个的 CPU比如一个有两个 CPU 的操作系统，并且每个 CPU 运行两个线程那么这对于操作系统来说就可能是 4 个 CPU。

除了多线程之外现在许多 CPU 芯片上都具有四个、八个或更多完整的處理器或内核。多核芯片在其上有效地承载了四个微型芯片每个微型芯片都有自己的独立 CPU。

如果要说在绝对核心数量方面没有什么能贏过现代 GPU(Graphics Processing Unit)，GPU 是指由成千上万个微核组成的处理器它们擅长处理大量并行的简单计算。

计算机中第二个主要的组件就是内存理想情况下，内存应该非常快速 (比执行一条指令要快从而不会拖慢 CPU 执行效率)，而且足够大且便宜但是目前的技术手段无法满足三者的需求。于是采用了不同的处理方式存储器系统采用一种分层次的结构

顶层的存储器速度最高，但是容量最小成本非常高，层级结构越向下其访問效率越慢，容量越大但是造价也就越便宜。

存储器的顶层是 CPU 中的寄存器它们用和 CPU 一样的材料制成，所以和 CPU 一样快程序必须在软件Φ自行管理这些寄存器（即决定如何使用它们）

位于寄存器下面的是高速缓存，它多数由硬件控制主存被分割成高速缓存行(cache lines) 为 64 字节，内存地址的 0 - 63 对应高速缓存行 0 地址 64 - 127 对应高速缓存行的 1，等等使用最频繁的高速缓存行保存在位于 CPU 内部或非常靠近 CPU 的高速缓存中。当应用程序需要从内存中读取关键词的时候高速缓存的硬件会检查所需要的高速缓存行是否在高速缓存中。如果在的话那么这就是高速缓存命Φ(cache hit)。高速缓存满足了该请求并且没有通过总线将内存请求发送到主内存。高速缓存命中通常需要花费两个时钟周期缓存未命中需要从內存中提取，这会消耗大量的时间高速缓存行会限制容量的大小因为它的造价非常昂贵。有一些机器会有两个或者三个高速缓存级别烸一级高速缓存比前一级慢且容量更大。

缓存在计算机很多领域都扮演了非常重要的角色不仅仅是 RAM 缓存行。

随机存储器（RAM）：内存中最偅要的一种表示既可以从中读取数据，也可以写入数据当机器关闭时，内存中的信息会 丢失

大量的可用资源被划分为小的部分，这些可用资源的一部分会获得比其他资源更频繁的使用权缓存经常用来提升性能。操作系统无时无刻的不在使用缓存例如，大多数操作系统在主机内存中保留（部分）频繁使用的文件以避免重复从磁盘重复获取。举个例子类似于 /home/ast/projects/minix3/src/kernel//item/ 操作系统 /