CPU Structure
CPU 的功能 功能 含义 指令控制 完成取指令、分析指令、执行指令，实现程序的顺序控制 操作控制 产生并发出完成指令所需的操作信号，控制相关部件动作 时间控制 按时间顺序提供控制信号，使各操作在正确节拍发生 数据加工 对数据进行算术运算和逻辑运算 中断处理 处理运行中的异常情况和特殊请求 Summary 控制器协调指令序列，运算器加工数据。 运算器运算器负责对数据进行加工。 部件 作用 ALU 执行算术运算和逻辑运算 通用寄存器组 保存操作数、目的操作数、中间结果和各种地址信息 暂存寄存器 暂存从主存读来的数据，避免破坏通用寄存器原有内容 ACC 累加寄存器，用于暂时保存 ALU 运算结果 PSW 程序状态字，保存运算或测试形成的状态信息 移位器 对运算结果执行移位 计数器 控制乘除运算等操作的步数 机器字长 机器字长通常指 CPU 一次能直接处理的二进制数据位数，常与通用寄存器位数、ALU 位数、CPU...
Instruction Cycle
指令周期、机器周期与时钟周期 概念 含义 指令周期 CPU 从主存取出并执行一条指令所需的全部时间 机器周期 又称 CPU 周期，一个指令周期通常由若干机器周期组成 时钟周期 又称节拍、T 周期，是 CPU 操作的基本时间单位 一个指令周期内的机器周期数可以不等，每个机器周期内的节拍数也可以不等。不同指令需要的阶段不同： 指令情况 可能的周期组成 空指令...
Network Performance Metrics
性能指标总览 指标 关注的问题 速率 数据传送有多快 带宽 链路理论上能传多快 吞吐量 实际通过了多少数据 时延 一个分组从发送到到达要多久 时延带宽积 链路中能同时“容纳”多少比特 RTT 一次往返交互要多久 利用率 链路或网络有多少时间处于忙碌状态 丢包率 有多少分组丢失 速率速率是数据的传送速率，也称数据率或比特率，基本单位是 bit/s。 单位 含义 kb/s $10^3$ bit/s Mb/s $10^6$ bit/s Gb/s $10^9$ bit/s Tb/s $10^{12}$ bit/s 速率单位通常按 10 进制换算 计算机组成原理、操作系统里讨论存储容量时，KB、MB、GB 常按 $2^{10}$ 进位理解；计算机网络里讨论速率时，kb/s、Mb/s、Gb/s 通常按 $10^3$ 进位理解。例如 $1\text{ Mb/s}=10^6\text{ bit/s}$，不是 $2^{20}\text{...
CPU Modes
CPU 状态与特权级操作系统要保护系统资源，不能让普通应用程序随意执行影响全局状态的指令。因此 CPU 将指令分为两类： 类型 含义 例子 非特权指令 普通应用程序可以执行 加法、减法、普通数据处理 特权指令 只能由操作系统内核执行 修改 PSW、开关中断、清内存、启动 I/O CPU 也相应分为两种运行状态： CPU 状态 运行内容 能否执行特权指令 别名 用户态 应用程序 不能 目态 内核态 操作系统内核程序 可以 核心态、管态 CPU 当前处于哪种状态通常由 PSW 中的状态位表示。用户态程序若试图执行特权指令，CPU 会发现权限不匹配，触发异常，转入内核态交给操作系统处理。 CPU 状态切换内核态到用户态内核态到用户态通常由内核主动完成。操作系统准备让某个应用程序运行时，会通过特权指令修改 PSW 中的状态位，并恢复该程序的运行现场，使 CPU 回到用户态执行用户程序。 这个方向是“内核让出 CPU 控制权”。 用户态到内核态用户态程序不能直接把 CPU...
OS Overview
操作系统是什么操作系统是控制和管理整个计算机系统硬件与软件资源的系统软件。它组织调度计算机工作，分配系统资源，并向用户和应用程序提供接口和运行环境。 从层次上看： 位置 作用 向下 管理 CPU、内存、磁盘、I/O 设备等硬件资源 向上 向用户和应用程序提供方便易用的接口 中间 把裸机扩展成更易用、更安全、更强的机器 操作系统的三个核心定位： 系统资源的管理者：管理处理机、存储器、文件和设备。 向上层提供服务：提供命令接口、程序接口、图形界面等。 最接近硬件的软件层：直接处理时钟、中断、设备驱动、CPU 状态切换等底层机制。 扩充机器 裸机只提供硬件能力。操作系统把硬件能力组织起来，提供进程、文件、虚拟内存、设备抽象等机制，使用户看到的是一台更方便的“扩充机器”。 操作系统管理哪些资源 资源 管理内容 处理机 进程调度、CPU 分配、上下文切换 存储器 内存分配、地址转换、虚拟存储 文件 文件创建、删除、读写、目录、权限 设备 设备分配、I/O...
System Calls
系统调用系统调用是操作系统向应用程序提供的程序接口。用户程序不能直接执行特权指令，也不能直接访问内核数据结构；凡是涉及受保护资源或需要内核权限的操作，都必须通过系统调用请求内核完成。 类型 例子 进程控制 创建进程、终止进程、等待子进程 文件管理 创建、打开、读写、关闭、删除文件 设备管理 请求 I/O、释放设备、获取设备状态 内存管理 申请内存、映射文件、调整地址空间 调用过程一次系统调用跨越用户态与内核态： 用户程序按照约定准备系统调用号和参数。 用户程序执行 trap 指令，也叫陷入指令或访管指令。 CPU 产生自陷。硬件保存必要现场、切换到内核态，并跳转到统一的系统调用入口。 系统调用入口检查系统调用号和参数，再分派到对应的内核处理程序。 内核处理程序执行所请求的服务，将结果或错误码写入约定位置。 内核执行返回操作，恢复用户程序现场和用户态，用户程序从 trap 后的指令继续运行。 系统调用引发的自陷是程序主动进入内核的同步事件。它与外部设备异步产生的中断不同，但二者都会使 CPU 转入内核态。CPU 状态和切换条件见...
Application-Models
应用进程之间的通信方式主要有两种：客户/服务器（C/S）方式和对等（P2P）方式。 客户/服务器方式客户/服务器（Client/Server）方式中，通信双方的角色是不对等的： 客户是服务请求方，主动向服务器发起通信。 服务器是服务提供方，被动等待客户请求。 C/S 方式的特点： 服务器始终运行，等待客户的服务请求。 服务器具有固定的运输层端口号（如 Web 服务器端口 80），运行服务器程序的主机也有固定的 IP 地址。 服务集中型：应用服务集中在少数服务器上。一台服务器要为大量客户提供服务，常出现性能瓶颈。 为此，C/S 应用常用计算机群集（服务器场）来构建一个强大的虚拟服务器。 因特网上许多传统网络应用采用 C/S 方式：万维网、文件传送（FTP）、电子邮件等。 对等方式对等（Peer-to-Peer，P2P）方式中，通信双方的角色是对等的——每个对等方既是服务请求者，也是服务提供者。 P2P...
Domain Name System
为什么需要 DNS因特网的网际层使用 IP 地址来寻址主机（如 42.83.144.13），但人很难记住一串数字。应用层使用域名（如 cnnic.net.cn）来标识主机，便于用户记忆和使用。 域名系统（Domain Name System，DNS）的作用就是把域名转换为 IP 地址。它是分布在因特网上的一套命名和查询系统，使大多数域名能在本地解析，效率高且容错性好。 因特网不能只用一台 DNS 服务器：规模太大，单台服务器会超负荷；一旦故障，整个因特网就会瘫痪。因此 DNS 采用层次结构的命名方案和分布式的服务器体系。 层次域名空间因特网的域名空间是一棵倒置的树——根在最上面，但没有对应的域名。 域名的结构由若干个分量组成，各分量之间用点 . 分隔： $$\text{…三级域名.二级域名.顶级域名}$$ 例如 mail.cctv.com 中，com 是顶级域名，cctv 是二级域名，mail 是三级域名。级别最低的写在最左边，级别最高的写在最右边。 顶级域名 TLD顶级域名（Top Level...
Email System
电子邮件系统的组成电子邮件（E-mail）是因特网上最早流行、目前仍最重要和最实用的应用之一。 电子邮件系统采用客户/服务器方式，由三个主要构件组成： 构件 角色 说明 用户代理（UA） 用户接口 用户与电子邮件系统的接口，即邮件客户端软件。用于撰写、发送、接收和阅读邮件 邮件服务器 基础设施 发送和接收邮件，维护用户邮箱。包含大量邮箱和待转发的邮件缓存 协议 通信规则 邮件发送协议（如 SMTP）和邮件读取协议（如 POP3、IMAP4） 电子邮件的基本收发过程电子邮件的传送不是发送方用户代理直接发送到接收方用户代理，而是经过邮件服务器的中转： 发送方使用用户代理通过 SMTP 将邮件发送给发送方邮件服务器。 发送方邮件服务器通过 SMTP 将邮件发送给接收方邮件服务器。 接收方在方便的时候，使用用户代理通过 POP3（或 IMAP4）从接收方邮件服务器读取邮件。 这个过程类似于传统邮政：发件人把信投入邮箱 → 邮局分拣转发 →...