《计算机系统：系统架构与操作系统的高度集成》——1.4　盒子里正在发生什么事

本节书摘来自华章计算机《计算机系统：系统架构与操作系统的高度集成》一书中的第1章，第1.4节,作者：（美）拉姆阿堪德兰（Ramachandran, U.）（美）莱希（Leahy, W. D.）著， 更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。

1.4　盒子里正在发生什么事

可以把视频游戏的例子作为问题来驱动我们进一步理解应用程序、操作系统和硬件之间的交互。对我们来说要更好地理解盒子里正在发生什么事，需要很好地掌握系统软件和硬件体系结构的行为。
首先，理解计算机系统有多种实现形式是有益的。计算机系统的实现形式包括手持设备（如手机或个人数字助理（PDA））、平板电脑、笔记本电脑、桌面电脑、并行计算机、集群计算机以及超级计算机等，如图1-7所示。
尽管这些计算机系统的外观和大小不同，但其内部的硬件组织结构在很大程度上是相同的。其中包括一颗或多颗中央处理单元（CPU）、内存以及输入/输出设备。将这些部件连接起来的管道叫做总线（bus），设备控制器则在CPU和相关外设之间起中介作用。这些计算机的计算能力、内存容量以及输入/输出（I/O）设备的种类和数量可能有很大不同。例如，PDA拥有与其用途匹配的有限I/O能力，包括触摸屏、麦克风以及扬声器。用来运行大规模科学计算应用（如气候变化建模）的高端超级计算机则可能包括成千上万个CPU、多达数个TB的内存和具有PB级存储容量的磁盘阵列。图1-8展示了典型的桌面计算机系统的硬件组织。

图1-7　 从PDA到超级计算机。各种计算机系统的实例，从手持设备到占据了整层建筑空间的超级计算机，例如像Yahoo和Google这样的搜索引擎公司或是在国家实验室里进行气候变化模拟的服务器集群

图1-8　 桌面计算机的硬件组织。尽管有多种多样的计算平台，但计算机系统的基本组成是非常相似的。注意这种组织形式使得可以在硬件组件上同时支持多个操作
计算机的硬件组织形式揭示了在硬件单元上同时进行操作的可能性（即并发性）。例如，在打印机打印文档的时候，硬盘可以读取MP3文件以播放你喜欢的音乐，而此时你正在用Web浏览器阅读CNN的新闻故事。CPU是整个系统的大脑。计算机系统里发生的每件事都是在CPU上运行某些程序的结果。你可能会观察到，在你从计算机屏幕上看CNN的同时，文档编辑程序正通过打印机打印你的文档。Web浏览器是一个应用程序，文档编辑器也是应用程序。操作系统为每个应用程序分配CPU时间，以触发其动作。因此，图1-8所示的计算机组织方式所支持的并发性在实际中得到了实现。
1.4.1　在计算机上启动应用程序
让我们来理解图1-8中的各个部件如何整合起来，与操作系统一起为你提供简单的计算体验—比如在显示设备上看视频。下面的描述为了讲解方便特意进行了简化。图中标有“内存”的方框存储着要在CPU上执行的所有程序。在没有任何用户程序的情况下，操作系统（其自身也是一个程序）总是在CPU上执行，并随时准备执行用户想要计算机系统执行的任务。首先，使用鼠标在显示设备上点击标有“电影播放器”的图标。鼠标的移动和鼠标点击都被操作系统接收，操作系统通过被点击的图标得知用户要执行的是哪个程序。所有的程序都在某个存储设备上保存着，最常见的情况是保存在计算机的硬盘上。操作系统将电影播放器的可执行镜像“加载”到内存中并将CPU的控制权转移以启动这个程序的执行。
电影播放程序的执行结果是，显示器上打开了一个图形窗口，并请你指定要看的电影文件。你可能会使用键盘来打出文件的名称，包括文件所在的盘符（例如DVD驱动器）。该程序在DVD驱动器上打开文件并播放，现在你可以在显示设备上观看喜爱的电影了。操作系统参与了给你提供观影体验的每一个步骤，包括：（a）刷新图形显示，（b）捕获用户的键盘输入并转交给电影播放器程序，（c）将数据从诸如DVD驱动器之类的存储设备移动到内存中。将数据在I/O设备和内存之间移动的实际机制取决于设备的特性。我们将在第10章介绍I/O子系统的时候在这方面展开更详细的讨论。
图1-8中的I/O总线和系统总线的作用是作为多种硬件单元之间数据移动的通道。正如高速公路和地面道路有不同限速一样，这些不同的总线在传输数据的时候也会有不同的速度特性。图1-8中标有“桥”的方框就是用于平滑计算机系统组成中不同通道的速度差异。