3、计算机系统架构与操作系统结构解析

计算机系统架构与操作系统结构解析

1. 设备控制器与数据传输

设备控制器负责特定类型的设备，一个控制器可连接多个设备，例如小型计算机系统接口（SCSI）控制器可连接七个或更多设备。设备控制器拥有本地缓冲存储和一组专用寄存器，负责在其控制的外围设备和本地缓冲存储之间移动数据。

操作系统通常为每个设备控制器配备设备驱动程序，该驱动程序理解设备控制器并为操作系统的其他部分提供统一的设备接口。启动 I/O 操作时，设备驱动程序会加载设备控制器内的相应寄存器，设备控制器检查这些寄存器的内容以确定操作（如“从键盘读取字符”），然后开始将数据从设备传输到本地缓冲。数据传输完成后，设备控制器通过中断告知设备驱动程序操作完成，设备驱动程序将控制权返回给操作系统，若为读取操作，可能会返回数据或数据指针；对于其他操作，则返回状态信息。

这种中断驱动的 I/O 方式适用于少量数据传输，但用于批量数据移动（如磁盘 I/O）时会产生高开销。为解决此问题，采用直接内存访问（DMA）。设备控制器为 I/O 设备设置缓冲区、指针和计数器后，可直接将整个数据块从其缓冲存储传输到内存，无需 CPU 干预。每块数据仅产生一次中断，告知设备驱动程序操作完成，而非像低速设备那样每字节产生一次中断。设备控制器执行这些操作时，CPU 可处理其他工作。

部分高端系统采用交换架构而非总线架构，在这些系统中，多个组件可同时与其他组件通信，而非在共享总线上竞争周期，此时 DMA 更有效。

2. 计算机系统架构分类

计算机系统可根据使用的通用处理器数量大致分类：
-单处理器系统：大多数系统使用单个处理器，范围从个人数字助理