一、計算機硬件基礎

1.1 總線結構

　　從概念上講，計算機的結構是總線型的：布置一根總線將各種硬件設備掛在總線（Bus）上。

　　（1）所有的設備都有一個控制設備，外部設備通過控制器與CPU進行通信。

　　（2）所有的設備之間的通信也需要通過總線。

1.2 流水線結構

　　為了提高計算機的效率，人們又設計出了流水線結構：仿照工業流水裝配線，將計算機的功能部件分為多個梯級，並將計算機的每條指令拆分為同樣多個步驟，使每條指令在流水線上流動，到流水線最后一個梯級時指令執行完畢。

　　下圖展示了5個梯級的流水線結構，流水線上的每個梯級都可以容納一條指令並同時執行。

　　在流水線的基礎之上，為了進一步提高效率，人們又發明了多流水線、超標量計算和超長指令字等多指令發射機制。

1.3 存儲結構

　　除了指令執行單元外，計算機中的另一個重要部件是指令的存放單元，被稱為存儲架構。存儲架構包括了緩存、主存、磁盤、磁帶等。下圖展示了一個包括寄存器在內的5級存儲介質構成的存儲架構。

　　從寄存器到磁帶，每一級存儲媒介的訪問延遲和容量均依次增大，而價格卻依次降低。從圖中可以看出，寄存器的訪問速度最快，容量最小，但成本卻最高；磁帶的訪問速度最慢，容量最大，但是成本卻最低。通過合理搭配，可以形成一個性價比頗高的存儲架構。

1.4 中斷機制

　　中斷是計算機里面的一個最為重要的機制，它也是操作系統獲得計算機控制權的根本保證。其基本原理是：設備在完成自己的任務后向CPU發出終端，CPU判斷優先級，然后確定是否響應。如果響應，則執行中斷服務程序，並在中斷服務程序執行完后繼續執行原來的程序。下圖簡單地描述了中斷機制：

二、抽象

　　所謂抽象，就是在根本上存在但現實中不存在的東西。抽象來源於具體，但又超越具體。

　　操作系統提供的抽象來源於顯示，就是具體的計算機硬件，如CPU、內存、I/O設備等等。但又超出這些現實，給人提供了強於現實的東西，使人和應用軟件感覺到更多、更好的硬件存在。

　　抽象不只是操作系統提供給用戶的一個存在，它也存在於操作系統內部。操作系統內部分為不同的功能模塊，而不同功能塊之間互相提供的也是抽象。想想在我們得實際開發中，是不是也遵循着這樣類似的原則？針對抽象編程？面向接口編程？依賴於抽象而不依賴於具體？

三、內核態與用戶態

殘酷的現實：世界上的人並非都是平等的，有些人生來占有的資源就多，而有的人占有的資源就很少。當有些人來了，其他人就得讓出資源。程序亦是如此。

　　操作系統作為計算機的管理者，享有着更多的方便或權限。為了區分不同的程序的不同權限，人們發明了內核態和用戶態的概念。

3.1 兩種狀態的概念

　　內核態就是擁有資源多的狀態（或訪問資源多的狀態），也稱為特權態。而用戶態則是非特權態，在用戶態下訪問的資源會受到限制。例如，要訪問OS的內核數據結構，如進程表等，則需要在特權態下才能做到。如果只需要訪問用戶程序里的數據，則在用戶態下就可以了。

3.2 兩種狀態的優勢

　　內核態：訪問資源多，但可靠性、安全性要求高，維護管理都比較復雜；

　　用戶態：訪問資源有限，但可靠性、安全性要求低，維護起來比較簡單；

　　那么，一個程序到底應該運行在內核態還是用戶態呢？這取決於其對資源和效率的需求；下圖展示了Windows操作系統的內核態與用戶態的界限，我們可以看到哪些需要在內核態下運行，哪些只在用戶態下運行。

3.3 兩種狀態的本質

　　計算機對於內核態和用戶態的識別是通過CPU的一個狀態位來實現的，這個狀態位是CPU狀態字里面的一個字位。所謂的用戶態、內核態實際是CPU的一種狀態，而不是程序的狀態。通過設置該狀態字，可以使CPU處於內核態、用戶態或者其他的子態（有的CPU有更多種子態）。

　　換句話說：一個程序運行時，CPU是什么態，這個程序就運行在什么態。

　　那么，知道了是怎么實現的，那又是如何對用戶態的訪問進行限制的呢？在對用戶態下程序執行的每一條指令進行檢查，這種檢查又被稱為地址翻譯，即對程序發出的每一條指令都要經過這個地址翻譯過程（你可以將其理解為我們在實際開發中所作的權限管理，對用戶發出的每個操作請求首先都經過一個Filter進行過濾），通過對翻譯的控制，就可以限制程序對資源的訪問。