CPU功能：
1.控制器功能

• 取指令
• 分析指令
  （指令控制） PC IR
• 執(zhí)行指令，發(fā)出各種操作命令
  （操作控制）CU 時序電路
• 控制程序的輸入以及結(jié)果的輸出
  （時間控制）CU 時序電路
• 總線管理
• 處理異常情況和特殊請求
  （處理中斷）中斷系統(tǒng)
  2.運(yùn)算器功能
  實(shí)現(xiàn)算數(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算
  （數(shù)據(jù)加工） ALU 寄存器

cpu 組成
ALU 寄存器 中斷系統(tǒng) CU

硬件架構(gòu)發(fā)展史
硬件架構(gòu)發(fā)展史可以從CPU的發(fā)展史來劃分仇箱。
第一階段：CPU頻率低
早期計算機(jī)沒有復(fù)雜的圖形功能醉旦，CPU核心頻率不高，等于內(nèi)存的頻率犁河，因而它們都直接連接在總線Bus上闽铐。I/O設(shè)備速度相比CPU和內(nèi)存慢了很多琳猫，因而通過I/O控制器來協(xié)調(diào)I/O設(shè)備與總線之間的速度侧到，并讓CPU和I/O設(shè)備能夠通信勃教。
第二階段：CPU倍頻
隨著技術(shù)的發(fā)展，CPU頻率有了很大的提升匠抗，加上圖形功能的要求故源，此時CPU頻率是內(nèi)存頻率的倍數(shù)，內(nèi)存頻率跟不上而保持與總線頻率一致戈咳，CPU以倍頻方式與總線進(jìn)行通信心软。3D游戲和多媒體的發(fā)展促使了圖形芯片的誕生，而圖形芯片需要CPU和內(nèi)存之間大量交換數(shù)據(jù)著蛙，I/O總線實(shí)在太慢，人們因而設(shè)計了高速的北橋芯片方便高速交換數(shù)據(jù)耳贬。
北橋+南橋硬件架構(gòu)
北橋運(yùn)行速度高踏堡，如果低速設(shè)備也直接連在北橋，無疑會造成非常復(fù)雜的設(shè)計咒劲。因而引入南橋?qū)ｉT處理低速設(shè)備顷蟆。
第三階段：多核CPU
技術(shù)的發(fā)展帶來了CPU的頻率提升（從幾十kHz到現(xiàn)在的4GHz），但是總歸會遇到增長瓶頸（CPU制造工藝的物理極限）腐魂，而日益增長的計算需求又要求CPU頻率必須更快帐偎，因而人們想到的方法是通過增加CPU數(shù)量來提升速度，也就是多核CPU蛔屹。
理想情況下速度的提高與CPU數(shù)量成正比削樊，但實(shí)際上是不可能的，原因就是程序并不都能分解成若干個完全不相干的子問題。
書中舉了個很直觀的例子：
一個女人可以花10個月生出一個孩子漫贞，但是10個女人并不能在一個月就能生出一個孩子甸箱。

再比如現(xiàn)在的分布式系統(tǒng)，機(jī)器越多迅脐，耗費(fèi)在通信上的時間也自然會越多芍殖。
對于操作系統(tǒng)和程序開發(fā)者來說，需要了解硬件的編程接口標(biāo)準(zhǔn)來通信谴蔑，編寫操作系統(tǒng)和驅(qū)動程序豌骏。
操作系統(tǒng)
硬件處理能力是有限的，操作系統(tǒng)需要做的隐锭，就是除了提供抽象接口之外肯适，管理硬件資源。進(jìn)一步說成榜，就是要通過設(shè)計各種方法來發(fā)揮硬件的所有潛能框舔，也就是硬件的三個核心指標(biāo)：CPU、內(nèi)存和I/O赎婚。
CPU：多任務(wù)系統(tǒng)
不能讓CPU閑著刘绣，不能讓CPU一次只能運(yùn)行一個程序，為了提升利用效率挣输，目前正在用而比較先進(jìn)的操作系統(tǒng)模式就是多任務(wù)系統(tǒng)纬凤。它實(shí)現(xiàn)了：讓每個應(yīng)用程序都以進(jìn)程的方式運(yùn)行。每個進(jìn)程都有自己獨(dú)立的地址空間撩嚼，使得進(jìn)程之間的地址空間相互隔離CPU由系統(tǒng)根據(jù)進(jìn)程優(yōu)先級的高低統(tǒng)一分配搶占式的CPU分配機(jī)制可以讓系統(tǒng)強(qiáng)制剝奪CPU資源并分配給它認(rèn)為目前最需要的進(jìn)程系統(tǒng)

如果分配給每個進(jìn)程的時間都很短停士，保證了CPU在多個進(jìn)程間快速的切換，就能造成很多進(jìn)程都在同時運(yùn)行的假象完丽。
I/O：硬件抽象
成熟的操作系統(tǒng)保證訪問硬件設(shè)備和訪問普通的文件形式一樣恋技，操作系統(tǒng)開發(fā)者為硬件生產(chǎn)廠商提供了一系列接口和框架，按照這個接口和框架開發(fā)的驅(qū)動程序都可以在該操作系統(tǒng)上使用逻族。這樣程序員可以從硬件細(xì)節(jié)解脫出來蜻底，更多關(guān)注程序本身。繁瑣的硬件細(xì)節(jié)交給操作系統(tǒng)的硬件驅(qū)動程序來完成聘鳞。
內(nèi)存：虛擬地址
多任務(wù)系統(tǒng)保證了CPU的高利用率薄辅，接下來的問題就是如何將計算機(jī)優(yōu)先的物理內(nèi)存分配給多個程序使用。直接按順序分配內(nèi)存的策略雖然簡單抠璃，但是會遇到三個問題：

• 地址空間不隔離如果所有程序直接訪物理地址站楚，很容易造成一個程序改寫其他程序的內(nèi)存數(shù)據(jù)
• 程序運(yùn)行的地址不確定程序每次運(yùn)行都需要內(nèi)存分配區(qū)域，而程序訪問數(shù)據(jù)和指令跳轉(zhuǎn)時的目標(biāo)地址很多都是固定的搏嗡，這樣便涉及了程序的重定位窿春。
• 內(nèi)存使用效率低簡單分配無法保證有效的內(nèi)存管理機(jī)制，空間連續(xù)切換程序會導(dǎo)致大量數(shù)據(jù)的換入換出，效率底下谁尸。

解決方法就是增加中間層舅踪，使用間接的地址訪問方法。
具體來說良蛮，就是在進(jìn)程和物理地址之間添加虛擬地址實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的隔離抽碌，也就是進(jìn)程 -> 虛擬地址（中間層） -> 物理地址，中間通過映射對應(yīng)起來决瞳。通過創(chuàng)建不存在的虛擬空間货徙，每個進(jìn)程都有了自己獨(dú)立的虛擬空間，而且每個進(jìn)程只能訪問自己的地址空間皮胡，從而有效地做到了進(jìn)程的隔離痴颊。
具體的實(shí)現(xiàn)方法包括分段和分頁兩種。分段是解決分配策略的前兩個問題屡贺，分頁則是解決第三個問題蠢棱。
分段Segmentation
基本思路就是程序需要多少內(nèi)存，就設(shè)置多大的虛擬內(nèi)存并映射到某個物理地址空間甩栈，只要程序訪問虛擬空間的地址超出了設(shè)置的內(nèi)存大小泻仙，硬件自動判斷為非法訪問，拒絕請求量没。這樣它實(shí)現(xiàn)了地址隔離玉转，同時程序不需要重定位，不需要關(guān)心物理地址的變化（因?yàn)橹恍枰凑仗摂M空間的內(nèi)存分配來編寫程序）殴蹄。但分段依然沒有解決內(nèi)存使用效率不高的問題究抓。分段對內(nèi)存區(qū)域的映射還是按照程序?yàn)閱挝唬绻麅?nèi)存不足袭灯，依然會以整個程序?yàn)閱挝贿M(jìn)行換入換出刺下，造成大量磁盤訪問操作從而嚴(yán)重影響速度。整個因果關(guān)系流可以表示為：內(nèi)存不足 -> 整個程序換入換出 -> 大量磁盤訪問操作 -> 嚴(yán)重影響速度

而事實(shí)上妓蛮，程序在運(yùn)行時在某個時間段只會頻繁的使用一小部分?jǐn)?shù)據(jù)怠李，很多數(shù)據(jù)在整個時間段都不會用到，因而完全可以用更小粒度的內(nèi)存分割和映射的方法蛤克，充分利用程序的局部性原理，這種方法就是分頁夷蚊。
分頁P(yáng)aging
分頁的基本方法就是把地址空間人為地等分成固定的頁构挤，以頁為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)的存取和交換。
通過一個叫MMU（Memory Management Unit）的部件來實(shí)現(xiàn)頁映射惕鼓。映射流可以表示為：CPU --虛擬地址--> MMU --物理地址--> 物理內(nèi)存

線程及線程安全
在多核CPU基礎(chǔ)之上筋现，多線程是實(shí)現(xiàn)軟件并發(fā)執(zhí)行的一個重要方法。
何謂線程
簡單來說，一個進(jìn)程包含多個線程矾飞，每個線程由線程ID一膨、當(dāng)前指令指針（PC）、寄存器集合和堆棧組成洒沦，各個線程之間共享程序的內(nèi)存空間和進(jìn)程級的資源豹绪，同時又互不干擾的并發(fā)執(zhí)行。
多線程的好處有如下：

• 有效利用進(jìn)程操作的等待時間
• 線程明確分工申眼，比如一個負(fù)責(zé)交互瞒津，另一個負(fù)責(zé)計算。保證程序和用戶之間的交互不被中斷（一個線程很容易中斷）
• 程序邏輯本身要求并發(fā)操作
• 單線程無法發(fā)揮計算機(jī)全部的計算能力括尸，多核CPU+多線程勢在必行
• 數(shù)據(jù)高效率共享

對于單處理器+多線程的情況巷蚪，類似CPU多任務(wù)系統(tǒng)，輪流執(zhí)行線程造成每個線程都「看起來」在同時執(zhí)行的假象濒翻，專業(yè)名詞叫線程調(diào)度屁柏。在線程調(diào)度中，線程至少有三種狀態(tài)：運(yùn)行Running有送、就緒Ready和等待Waiting互相切換淌喻。
線程安全
因?yàn)榫€程共享程序的內(nèi)存空間和進(jìn)程級的資源，因而一個進(jìn)程訪問的數(shù)據(jù)很可能也被其他線程訪問（改變）娶眷，線程安全處理的就是多線程程序并發(fā)時的數(shù)據(jù)一致性似嗤。不可再分的單指令操作稱為原子操作，原子操作執(zhí)行不會被打斷届宠。如果能夠保證原子操作的正確先后烁落，數(shù)據(jù)讀寫就不會出現(xiàn)問題，但這僅僅適用于比較簡單的場合豌注，復(fù)雜情況下更好的方法是鎖伤塌。
同步與鎖：多線程同時讀寫一個數(shù)據(jù)的安全防護(hù)
為了避免多線程同時讀寫一個數(shù)據(jù)產(chǎn)生不可預(yù)料的后果，需要對多個線程訪問同一個數(shù)據(jù)做同步轧铁。
所謂同步每聪，就是一個線程還沒訪問完一個數(shù)據(jù)，其他線程不能再對該數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問齿风，從本質(zhì)上講药薯，保證了對數(shù)據(jù)的訪問是原子化了。
同步的最常見方法是鎖救斑。線程訪問數(shù)據(jù)的整個過程是：訪問前獲取鎖 --> 訪問結(jié)束釋放鎖

最簡單的情況自然是二元鎖童本，也稱為二元信號量（Binary Semaphore），只有兩種狀態(tài)：占用和非占用脸候。占用時其他線程無法獲取鎖穷娱，直到被釋放轉(zhuǎn)為非占用绑蔫。非占用時第一個線程自然可以獲取鎖。
如果資源能夠允許多個線程并發(fā)訪問泵额，那就是多元信號量配深。顯然二元信號量是特殊情況。一個初始值為N的信號量允許N個線程并發(fā)訪問嫁盲，當(dāng)線程訪問資源時首先獲取信號量篓叶，進(jìn)行如下操作：
semaphore = semaphore - 1;if(semaphore < 0) current thread waiting;else { visit source, then release semaphore semaphore = semaphore + 1; if(semaphore < 1) woke up a waiting thread}

另外幾種同步的方法包括：互斥量Mutex、臨界區(qū)Critical Section亡资、讀寫鎖Read-Write Lock和條件變量Condition Variable澜共。
互斥量與二元信號量類似，不同的地方在于：信號量可以被任意線程獲取并釋放锥腻，而互斥量要求哪個線程獲得嗦董，它就必須要負(fù)責(zé)釋放這個鎖。