一、绪论
1 计算机硬件
（1）CPU
专用寄存器
程序计数器 保存了将要取出的下一条指令的内存地址
堆栈指针 指向内存中当前栈的顶端
程序状态字PSW 这个寄存器包含了条件码位、CPU优先级、模式（用户态或内核态），以及其他各种控制位。用户程序通常读入整个PSW,但只对其中少量字段写入，在系统调用和IO中，PSW的作用很重要
流水线与超标量CPU
在多数的流水线设计中，一旦一条指令被取进流水线中，它就必须被执行完毕，即便前一条取出的指令是条件转移。
在超标量设计中，通常有多个执行单元。两个或更多的指令被同时指出、解码并装入暂存缓冲区，直至它们执行完毕。只要有一个执行单元空闲，就检查保持缓冲区是否还有可处理的指令，如果有，就把指令从缓冲区中移出并执行。存在一个问题：程序的指令经常不按顺序执行。多数情况下，硬件负责保证这种运算的结果与顺序执行指令时的结果相同。
（2）存储器
| 典型访问时间 | 典型容量 | |
|---|---|---|
| 1ns | 寄存器 | <1KB |
| 2ns | 高速缓存 | 4MB |
| 10ns | 主存 | |
| 10ms | 磁盘 |
（3）磁盘
磁道 盘片上的圆环
柱面 不同盘片上的磁道
扇区 磁道上的不同区间，典型值为512字节
（4）IO设备
设备受设备控制器控制，而操作系统通过驱动程序控制设备控制器，驱动程序一般在内核态运行，需要将驱动程序装入操作系统中。有三个途径：
1 将内核与设备驱动程序重新连接,重新启动 如UNIX
2 在一个操作系统文件中设置一个入口，该文件通知操作系统需要一个设备驱动程序，重启系统。系统启动时即可装在设备驱动程序。如Windows
3 热插拔 如USB\
实现输入和输出的三种方式：
1 忙等待 需要占据CPU，CPU一直轮询设备知道对应的IO操作完成
2 中断的方式
关于中断 https://www.cnblogs.com/funeral/archive/2013/03/06/2945485.html
https://blog.csdn.net/tigerjibo/article/details/6067258
3 DMA
DMA直接内存存取原理是指外部设不通过CPU而直接与系统内存交换数据的接口技术。采用中断传送有它的缺点，对于一个高速I/O设备，以及批量交换数据的情况，只能采用DMA方式，才能解决效率和速度问题。DMA在外设与内存间直接进行数据交换，而不通过CPU，这样数据传送的速度就取决于存储器和外设的工作速度
通常系统的总线是由CPU管理的。在DMA方式时，就希望CPU把这些总线让出来，即CPU连到这些总线上的线处于第三态–高阻状态，而由DMA控制器接管，控制传送的字节数，判断DMA是否结束，以及发出DMA结束信号。DMA控制器必须有以下功能：
1. 能向CPU发出系统保持（HOLD）信号，提出总线接管请求；
2. 当CPU发出允许接管信号后，负责对总线的控制，进入DMA方式；
3. 能对存储器寻址及能修改地址指针，实现对内存的读写操作；
4. 能决定本次DMA传送的字节数，判断DMA传送是否结束
5. 发出DMA结束信号，使CPU恢复正常工作状态。
（5）总线
高速缓存、内存、PCIe、PCI、USB、SCSI、SATA和DMI
p18
PCI总线使用并行传输，是共享总线架构，多个设备使用一条总线，由仲裁器决定那个设备可以使用总线；而PCIe使用串行传输，使用分离的端到端的链路
2 操作系统概念
（1）进程
进程基本上是容纳运行一个程序所需要的所有信息的容器
（2） 地址空间
（3）文件
在读写文件之前，首先要打开文件，检查其访问权限，若权限许可，系统将返回一个小整数，成为文件描述符，供后续操作使用。若禁止访问，系统返回一个错误码
特殊文件 提供特殊文件是为了是IO设备看起来像文件一般，这样就使得操作IO设备跟操作文件一样，使用相同的系统调用。有两类特殊文件：块特殊文件，如磁盘等，字符特殊文件，如打印机、其他接收或输出字符流的设备。按照惯例，特殊文件保存在/dev目录中
3 系统调用
异常控制流是机制，中断是技术
陷阱通常由处理器正在执行的现行指令引起，而中断则是由与现行指令无关的中断源引起的。陷阱处理程序提供的服务为当前进程所用，而中断处理程序提供的服务则不是为了当前进程的。中断是由硬件引起的，而异常是由软件引起的；中断是异步的，而异常是同步的。
中断 https://www.cnblogs.com/funeral/archive/2013/03/06/2945485.html
- 外部中断
外部中断是由外部设备引发的中断，而引发中断的设备被称为中断源，中断源大致可以分为以下几种
1 定时器、计时器
2 键盘
3 内部实时时钟
4 通用接口
5 PS/2鼠标
6 协处理器
7 IDE/SATE硬盘
8 串口
9 并口
10 软盘
…
- 可屏蔽中断
- 不可屏蔽中断
外部设备通过"可编程中断控制器(Programmable Interrupt Controller，PIC)"向CPU报告的中断，大致流程如下:
1 外部设备通过中断请求线(IRQ)连接到一个"中断控制器"上
2 当一个外部设备需要发出中断时，会驱动对应的中断请求线进入有信号状态
3 中断控制器检测这个中断是否被屏蔽了(CPU的IF位被置1，则不屏蔽任何外部中断；CPU的IF位被置0，则屏蔽所有外部中断)，如果没有被屏蔽就驱动CPU的"INTR中断请求线"进入信号状态
4 CPU随后就能检测到这个中断了(在每次CPU周期的下降沿检测一次中断)
5 如果该中断被屏蔽(CPU中的中断屏蔽寄存器被选中)，中断控制器中的寄存器中的某一位位将记录这一请求，等到中断被开启时再驱动CPU的"INTR中断请求线"进入信号状态
6 之后CPU通过"中断应答"从中断控制器的数据线上读取中断号，并通过中断号获取中断向量
7 如果多个设备(外设中断源)在同一时刻通过不同的中断请求线发出中断请求，中断控制器也会将这些请求记录在不同的位中
8 如果这些中断都没有被屏蔽，则中断控制器根据优先级，依次执行优先级高的中断(IRQn的数字n越小优先级越大)
- 内部中断
和外部中断相对的就是内部中断。从CPU的角度看，外部中断是一个异步事件，它可能在任何时候发送，而内部中断是一个同步事件，它是执行某条指令时产生的。
内部中断可以大致分为以下几种- 异常(faults)
CPU在指令执行时产生的，异常是可以修复的。当异常发生时，压入堆栈的是产生异常的"那条指令"，当CPU执行异常处理程序结束后，将"重新执行那一条指令"。
1.1) 缺页异常: 14: #PF
1.2) 保护错误(内存或其他保护检查): 13: #GP
1.3) 堆栈段错误(堆栈操作或者加载SS): 12: #SS
1.4) 段不存在(加载段寄存器后访问段): 11: #NP
1.5) 除法错误(DIV/IDIV指令): 0: #DE
1.6) 越界: 5: #BR
1.7) 无效操作码(无效操作指令): 6: #UD
1.8) 对齐校验(内存访问): 17: #AC - 陷阱(traps)
在CPU执行陷阱指令后，立刻通过中断描述表执行预定的陷阱处理例程。陷阱处理例程执行结束后，将返回陷阱指令的"下一条指令"继续执行。
2.1) 系统调用(system call)
系统调用是一种软中断，软中断是一条CPU指令，用以自陷一个中断。由于软中断指令通常要运行一个切换CPU至内核态(Kernel Mode/Ring 0)的子例程，它常被用作实现系统调用(System call)
这是最常使用到的中断，我们在编程中使用到的API最终都会通过系统调用这种内部中断来进行ring3到ring0的切换
2.2) 单步异常(调试异常): 1: #DB
用于单步执行、内存断点
2.3) INT3(断点异常): 3: #BP
2.4) 溢出(指令INT0): 4: #OF - 终止(aborts)
3.1) 双重错误(所有能产生异常、NMI、或者INTR的指令): 8: #DF\
- 异常(faults)
疑问点
计算机使用陷阱而不是一条指令来执行系统调用？？
每个线程在操作系统看来就像是单个的CPU？？
补充知识点
- L1、L2、L3缓存 CPU与内存间的缓冲，最靠近CPU的是L1缓存，命中率80%
- UNIX进程将其存储空间划分为三段：正文段、数据段、堆栈段；数据向上增长而堆栈向下增长
| 进程的三段 |
|---|
| 堆栈 |
| 空闲区 |
| 数据 |
| 正文 |
- UNIX目录 目录就是包含了(i-编号，ASCII名称)对的集合的文件
- inode 节点 https://blog.csdn.net/Jijiahao95/article/details/53398475