### 计算机系统结构关键知识点
#### 一、计算机系统结构概览
**计算机系统结构**是指计算机硬件系统的组织形式及其功能实现方法。它主要包括以下几个方面：CPU、存储器系统、输入输出(I/O)系统以及相关的接口和通信机制。
#### 二、计算机系统的运行
1. **初始化程序（引导程序）**
- 存储位置：通常存储在硬件的只读存储器(ROM)中，如固件或EEPROM。
- 功能：初始化计算机系统的各个方面，包括CPU寄存器、设备控制器及内存等。
- 目标：装入操作系统并开始运行。为操作系统内核分配内存空间，并将其装入内存。
2. **操作系统的启动**
- 运行的第一个进程：通常是“init”进程。
- 等待事件：操作系统在无进程运行、无I/O操作且无用户响应时，会处于等待状态直到有新的事件发生。
3. **事件与中断**
- 事件触发：通过硬件或软件中断触发产生。
- **硬件中断**：硬件设备通过系统总线向CPU发送信号。
- **软件中断（自陷/异常）**：由软件错误（如除以零、无效内存访问）或用户程序请求操作系统服务引发。
- 中断处理：
- 当CPU接收到中断信号时，会停止当前工作转向特定地址，该地址存储了相应的中断服务程序入口。
- 处理完成后，CPU恢复被中断的计算。
- 中断向量表：用于快速定位不同类型的中断对应的中断服务程序地址。
4. **系统调用**
- 方法：请求操作系统服务的一种手段，通常采用自陷到特定地址的方式。
- 实现方式：通用的trap指令或专用的syscall指令。
#### 三、I/O结构
1. **现代通用计算机系统的构成**
- CPU：中央处理器。
- 设备控制器：负责管理特定类型的设备，如磁盘驱动器、音频设备、视频显示器等。
- 公共总线：用于连接CPU与各个设备控制器，提供对共享存储器的访问能力。
2. **I/O系统的运行机制**
- 设备控制器与总线周期的竞争：CPU与设备控制器能够同时运行，并且会互相竞争总线周期以获取对共享存储器的访问权。
- 存储控制器的作用：确保对共享存储器访问的有序性，同步存储器的访问操作。
3. **中断在I/O中的作用**
- 中断对于处理I/O操作至关重要。
- I/O设备完成操作后会通过中断告知CPU。
- 操作系统通过中断服务程序来处理I/O完成的情况，例如数据传输完成后的后续处理。
#### 四、总结
计算机系统结构是计算机科学的基础之一，它涉及到计算机硬件系统的各个方面，如CPU、存储器系统、I/O系统及其交互机制。理解和掌握计算机系统结构对于设计高效、可靠的计算机系统至关重要。通过对计算机系统结构的学习，我们可以更好地理解操作系统是如何管理和协调硬件资源的，以及如何有效地利用这些资源来提高系统的性能和稳定性。此外，了解中断机制和I/O系统的运作原理也是设计和优化高性能计算系统的关键。
