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计算机抽象模型：
cpu、内存以及I/O设备都是由一条系统总线(bus)连接起来并通过总线与其他设备通讯
现在计算机的结果更复杂，包括多重总线
CPU：
CPU是计算机的大脑，它从内存中取指令->解码->执行，然后重复该步骤，直至整个程序被执行完成。
cpu内部都有一些用来保存关键变量和零时数据的寄存器
寄存器分类：
- 通用寄存器，用来保存变量和临时结果
- 程序计数器，它保存了将要取出的下一条指令的内存地址。在指令取出后，程序计数器就被更新以便执行后期指令
- 堆栈指针，它指向内存中当前栈的顶端。该栈包含已经进入但是还没有退出的每个过程中的一个框架。在一个过程的堆栈框架中保存了有关的输入参数、局部变量以及那些没有保存在寄存器中的临时变量
- 程序状态字寄存器(Program Status Word,PSW)，这个寄存器包含了条码位（由笔记指令设置）、CPU优先级、模式（用户态或内核态），以及各种其他控制位。用户通常读入整个PSW，但是只对其中少量的字段写入。在系统调用和I/O中，PSW非常重要
寄存器的维护：
操作系统必须知晓所有的寄存器。在时间多路复用的CPU中，操作系统经常终止正在运行的某个程序并启动（或再次启动）另一个程序。每次停止一个运行着的程序时，操作系统必须保存所有的寄存器，这样在稍后该程序被再次运行时，可以把这些寄存器重新装入
处理器手机的演变：
- 最开始取值、解码、执行这三个过程是同时进行的，意味着任何一个过程旺财都需要等待其余两个过程执行完毕，浪费时间
- 后来被设计成了流水线式设计，即执行指令n时，可以对指令n+1解码，并且可以读取指令n+2，完全是一套流水线
- 超变量cpu，比流水线更加先进，有多个执行单元，可以同时负责不同的事情，比如看片的同时，听歌，打游戏。 两个或更多的指令被同时取出、解码并装入一个保持缓冲区中，直至它们都执行完毕。只有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
这种设计存在一种缺陷，即程序的指令经常不按顺序执行，在多数情况下，硬件赋值保证这种运输结果与顺序执行的指令时的结果相同。
内核态与用户态：
除了在嵌入式系统中的非常简单的CPU之外，多数CPU都有两种模式，即内核态与用户态。通常，PSW中有一个二级制位控制这两种模式。
内核态：当CPU在内核态运行时，CPU可以执行指令集中所有的指令，很明显，所有的指令中包含了使用硬件的所有功能的部分，（操作系统在内核态下运行，从而可以访问整个硬件）
用户态：用户程序在用户态下运行，仅仅只能执行CPU整个指令集的一个子集，该子集中不包含操作硬件功能的部分，因此，一般情况下，在用户态中有关I/O和内存保护（操作系统占用的内存是受保护的，不能被别的程序占用），当然，用户态下，将PSW中的模式设置成内核态也是禁止的。
内核态与用户态切换
用户态下工作的软件不能操作硬件，但是我们的软件比如暴风影音，一定会有操作硬件的需求，比如从磁盘上读取一个电影文件，那就必须尽力从用户态切换到内核态的过程，为此，用户程序必须使用系统调用（system call），系统调用陷入内核并调用操作系统，TRAP指令把用户态切换成内核态，并启用操作系统从而获得服务。
请把系统调用看出一个特别的过程调用指令就可以了，该指令具有从用户态切换到内核态的特别功能
异常处理
计算机使用TRAP来执行系统调用，多数的TRAP是由硬件引起的，用于警告有异常情况发生，如试图I/O等操作。在搜的情况下，操作系统都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。在其他的情况下可以忽略出错，如果程序已经提前宣布它希望处理某类异常时，那么控制权还必须返回程序，让其处理相关的问题
多线程和多核芯片
Moore定律指出，芯片中的晶体管数量每18个月翻一倍，随着晶体管数量的增多，更强大的功能成为了可能，如
- 第一步增强：在CPU芯片加入更大的缓存，一级缓存L1，用和CPU相同的材质制成，CPU访问它没有延时
- 第二步增强：一个CPU中处理逻辑增多，Intel公司首次提出，称为多线程（multithreading）或超线程（hyperthreading），对用户来说一个有两个线程的CPU就相当于两个cpu，我们后面要学习的进程和线程的知识就是起源于这里，进程是资源单位而线程才是cpu的执行单位。 多线程运行CPU保两个不同的线程状态，可以在纳秒级的时间内来回切换，熟读快到你看到的结果是并发的，伪并行的，然而多线程不提供真正的并行处理，一个cpu同一时只能处理一个进程（一个进程中至少一个线程）
- 第三步增强：除了多线程，还出现了包含2个或4个完整处理器的CPU芯片，如下图。要使用这类多核心芯片肯定需要有多处理操作系统
存储器
存储器系统采用如上图的分层结构，顶层的存储器速度较高，容量较小，与底层的存储器相比每位的成本较高，其差别往往是十亿数量级的
寄存器即L1缓存
用于CPU相同材质制造，与CPU一样快，因而CPU访问它无延时，典型容量是：在32位CPU中位32*32，在64位CPU中为64*64，在两种情况下容量均<1KB.
高速缓存即L2缓存：
主要有硬件控制高速缓存的存取，内存中有高速缓存行按照0~64字节为行0，64~127为行1。。。最常用的高速缓存行放置在CPU内部或者非常接近CPU的高速缓存中。当某个程序需要读取一个存储字时，高速缓存硬件检查所需要的高速缓存行是否在高速缓存中，如果是，则成为高速缓存命中，缓存满足了请求，就不需要通过总线把访问请求送往主存（内存），这毕竟是慢的。高速缓存的命中通常需要两个时钟周期。高速缓存未命中，就必须访问内存，这需要付出大量的时间代价，由于高速缓存价格昂贵，所以其大小有限，有些机器具有两级甚至三级高速缓存，每一级高速缓存比前一级慢但容量大。
主存（内存）：
再往下一层是主存，此乃存储器系统的助理，主存通常称为随机访问存储RAM，就是我们通常所说的内存，容量一直在不断攀升，所有不能再高速缓存中找到的，都会到主存中找，主存是易失性存储，断点后数据全部消失。
非易失性随机访问存储ROM（Read Only Memory，ROM）
在电源切断之后，非易失性存储的内容并不会求生，ROM只读存储器在工厂中就被编程完毕，然后再也不能修改。ROM速度快切便宜，在有些计算机中，用于启动计算机的引导加载模块局存在ROM中，另一些I/O卡也采用ROM处理底层设备的控制
EEPROM（Electrically Erasable PROM， 电可擦除可编程ROM）和 闪存（flash memory）也是非易失性的，但是与ROM相反，他们可以擦除和重写。不过重写花费的时间比写入RAM要多。在编写式电子设备中，闪存通常作为擦除媒介。闪存是数码相机中的胶卷，是便携式音译播放器的磁盘，还应用于固态硬盘。闪存在速度上介于RAM和磁盘之间，但与磁盘不同的是，闪存擦除的次数过多，就被磨损了。
还有一类存储就是 CMOS，他是易失性的，许多计算机利用CMOS存储器来保持当前世界和日期。CMOS存储器和递增时间的电路有一小块电池驱动，所以即使计算机没有加电，时间也仍然可以正确的更新，除此之外CMOS还可以保存配置的参数，比如，哪一个是启动磁盘等，之所以采用CMOS是应为它耗电量非常少，一块工厂原装电池往往能使用若干年，但是电池失效时，相关配置和时间等都将丢失
磁盘
磁盘低速的原因是因为它一种机械装置，在磁盘中有一个或多个金属盘片，它们以5400，7200或10800rpm（RPM =revolutions per minute 每分钟多少转 ）的速度旋转。从边缘开始有一个机械臂悬在盘面上，这类似于老式黑胶唱片机上的拾音臂。信息卸载磁盘上的一些列的同心圆上，是一连串的2进制位（称为bit位），为了统计方法，8个bit称为一个字节bytes，1024bytes=1k，1024k=1M，1024M=1G,所以我们平时所说的磁盘容量最终指的就是磁盘能写多少个2进制位。
每个磁头可以读取一段换新区域，称为磁道
把一个戈丁手臂位置上所以的磁道合起来，组成一个柱面
每个磁道划成若干扇区，扇区典型的值是512字节
数据都存放于一段一段的扇区，即磁道这个圆圈的一小段圆圈，从磁盘读取一段数据需要经历寻道时间和延迟时间
平均寻道时间
机械手臂从一个柱面随机移动到相邻的柱面的时间为寻道时间，找到了磁道就以为找到了数据锁定在哪个圈圈，但是还不走到数据具体这个圆圈的具体位置
平均延迟时间
机械臂叨叨正确的磁道之后还必须等待旋转到数据所在的扇区下，这段时间为延迟时间
虚拟内存
许多计算机支持虚拟内存机制，该机制使计算机可以运行大于物理内存的程序，方法是将正在使用的程序放入内存去执行，而暂时不需要执行的程序放到磁盘的某块地方，这块地方为虚拟内存，在linux中为swap，这种机制的核心在于快速地映射内存地址，由CPU中的一个部件负责，陈伟存储器管理单元（Memory Management Unit MMU）
PS:从一个程序切换到另外一个程序，称为上下文切换（context switch），缓存和MMU的出现提升了系统的姓名，尤其是上下文切换
IO设备
CPU和存储器并不是操作系统唯一需要管理的资源，I/O设备也是非常重要的一环。
I/O设备一般包括两个部分：设备控制器和设备本身。
控制器：是查找主板上的一块芯片或一组芯片，控制器负责控制连接的设备，它从操作系统接收命令，比如读硬盘数据，然后就对硬盘设备发起读请求来读取内存
控制器的功能：通常情况下对设备的控制是非常复杂和具体的，控制器的任务就是为操作系统屏蔽这些复杂而具体的工作，提供给操作系统一个简单而清晰的接口
设备本身：有相对简单的接口切标准的，这样大家都可以为其编写驱动程序了。要想调用设备，必须根据该接口编写复杂而具体的程序，于是有了控制器提供设备驱动接口给操作系统。必须把设备驱动程序安装到操作系统中
总线
北桥即PCI桥：连接高速设备
南桥即ISA桥：连接慢速设备
启动计算机流程
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- 计算机加电
- BIOS开始运行，检测硬件：CPU、内存、硬盘等
- BIOS读取CMOS存储中的参数，选择启动设备
- 从启动设备上读取第一个扇区的内容（MBR主引导记录512字节，前446为引导信息，后64为分区信息，最后两个为标志位）
- 根据分区信息读入BootLoader启动装载模块，启动操作系统
- 然后操作系统询问BIOS，以获取配置信息。对于每种设备，系统会检测其设备驱动程序是否存在，如果没有，系统则会要求用户安装设备驱动程序。一旦有了全部的设备驱动程序，操作系统就将它们调入内核。然后初始化有=关的表格（如进程表），创建需要的进程，并在每个终端上启动登录程序或GUI
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