计算机底层知识.docx

计算机底层知识1. 虚拟内存virtual memory1.1 虚拟地址和物理地址 virtual address and physical addressn 虚拟地址大小:LEN=2BIT BIT=计算机位数构成:虚拟地址=内核地址(14)+应用地址(34)n 物理地址实际内存地址。n 虚拟地址到物理地址虚拟地址（VA） MMU 物理地址（PA）物理地址（PA） MAP 缓存行（BL）n 虚拟页和物理页虚拟页（VIRTUAL PAGE）：虚拟内存由虚拟页构成物理页（PHYSICAL PAGE）：物理内存由物理页构成虚拟页大小=物理页大小n 操作的真实指向Cpu 操作的真实指向是物理内存，用高速缓存作物理内存的缓存。APP操作的真实指向是硬盘空间，用物理内存作缓存。n 页的三种类型NO类型虚拟页物理页1没分配页XX2未缓存VX3已缓存VV1.2页表 page tablen 目的：管理虚拟内存页、物理内存页、缓存状态。n 记录结构：数组=索引+值（有效位+物理页号）索引：虚拟页号；有效位：是否缓存；物理页号：物理页号。n 缺页异常：缺页异常：标志位为零的页。缺页异常得处理：重新加载缓存n 页面调度：主存页-缓存区-磁盘页n 页表层级：为节约页表空间，页表分级创建。1.3地址转换 address translaten 转换过程中使用的符号：类别NO项目说明参数1N=2n虚拟地址数量2M=2m物理地址数量3P=2p页面大小虚拟地址1VPO虚拟地址偏移2VPN虚拟页号3TLBTLB索引4TLBTTLBT索引标专物理地址1PPO物理地址偏移2PPN物理页号3CO高速缓存偏移4CI高速缓存索引5CT高速缓存标记n 转换过程页表寄存器结构页表寄存器数据记录1数据记录N索引标志数值虚拟页号虚拟偏移物理页号物理偏移页面命中示意图CPUMMU主存 PTEA PTE PA DATA VA页面命中示意图CPUMMC主存磁盘缺页处理VAPTEA牺牲页码更新页码DATAPAPTEVA转换过程step1. CPU拿到一个虚拟地址，分为两步，先通过页表机制确定该地址所在虚拟页的内容是否从磁盘加载到物理内存页中，然后通过高速缓存机制从该物理地址中取到数据。step 2. 地址翻译硬件要把这个虚拟地址翻译成一个物理地址，从而可以再根据高速缓存的映射关系，把这个物理地址对应的值找到。step 3. 地址翻译硬件利用页表数据结构，TLB硬件缓存等技术，目的只是把一个虚拟地址映射到一个物理地址。要记住DRAM缓存是全相联的，所以一个虚拟地址和一个物理地址是动态关联的，不能直接根据虚拟地址推导出物理地址，必须根据DRAM从磁盘把数据缓存到DRAM时存到页表时存的实际物理页才能得到实际的物理地址，用物理页PPN + VPO就能算出实际的物理地址 (VPO = PPO，所以直接用VPO即可)。 PPN的值是存在页表条目PTE中的。地址翻译做了一堆工作，就是为了找到物理页PPN，然后根据VPO页面偏移量，就能定位到实际的物理地址。step 4. 得到实际物理地址后，根据高速缓存的原理，把一个物理地址映射到高速缓存具体的组，行，块中，找到实际存储的数据。1.4 内存映射 virtual mapn 内存映射示意图Va1Va2Va3Va4Va5Va6Va7Va8Va9Fa1Fa2Fa3Fa4Fa5Fa6Fa7Fa8Fa9Map（内存空间）（文件空间）2. 进程和线程 process and thread2.1 进程n 概念:进程系统分配存储资源最小单位.n 进程假象:一直占居CPU一直独占存储资源n 复制与共享复制:物理内存块在写的时候内存真实复制.共享:共享指针指向同一物理内存块.n 管理打开的文件资源Fd0Fd1fdnFd0Fd1fdn父进程子进程描述符表文件A文件B打开的文件表V_NODE表文件位置引用次数类型大小访问修改文件位置引用次数类型大小访问修改n 父进程和子进程之资源分配复制前状态复制后状态父进程页表子进程页表物理页表物理页表PT 211PT 2111250PT 211PT 21112501036父进程页表子进程页表n 进程间通讯:通过管道等方式在不同进程间进行通讯.2.2 线程n 概念:功能调度的最小单位.n 并发本质和难点本质:同一时间点,不同逻辑流同时运行.难点:解决资源共享问题.(共享内存方式解决)3. 硬盘知识 disc3.1 磁盘的基本结构和工作原理n 基本结构盘面磁道扇区n 工作原理:n 硬盘结构:柱面盘片磙头n 硬盘结构:8个盘片,16个盘面(1盘片上下两个盘面)1个盘面有216个磁道;1个磁道有256个扇区;1个扇区有4KB字节;总字节数=16X216X256X4KB=1TBn 读取时间=寻道时间+旋转延时+传输时间3.2 磁盘和主存之间数据交换CPU 芯片寄存器文件ALU总线接口缓存主存USB适配器图形视配器磁盘控制器4. 文件系统:file system4.1 文件系统构成:磁盘文件系统;网络文件系统;虚拟文件系统;4.2 虚拟文件系统 VIRTUAL FILE SYSTEM标准文件管理库文件VFS虚拟文件系统应用程序A应用程序B应用程序CEXT2/3REISERFSXFS应用级内核级4.3 VFS核心对象超级对象:mount 文件系统;INODE对象:一个具体文件;目录对象:文件路径(目录);打开文件对象:文件句柄;4.4 对象之间关系说明Super_blockFile_instanceAddress_spaceFile_structureinodeTask_structureF_op_type4.5 超级块:supper blockn 每个物理扇区的结构：启动块块组1块组2块组Nn 块组结构：超级块（真实）块1块2块N超级块（备份）块1块2块N.n 块组数据结构：示意图超级块组描述数据位图INODEINODE|TABLEDATA1K11NM4.6 文件节点：INODEn INODE和文件一一对应n INODE重要属性NO属性说明NO属性说明NO属性说明1i_ino编号4I_count引次7I_mode权限2I_size大小5I_dentry目录8I_mapping映射3I_atime访问6I_sb超块9n INODE状态无引用，无修改。已引用，无修改。已引用，已