系统结构

存储结构

1、为什么计算机要给储存结构分级？

不同级别的储存结构具有不同的访问速度，CPU访问CPU Cache的延时只需要几纳秒，访问物理内存的延时则100纳秒，速度相差100倍，访问磁盘延时就更高了，已经到毫秒级，但是访问速度越快的存储器，造价成本就越高，容量也小很多。

通过分级存储结构，可以将数据按照不同的访问速度、容量和成本要求进行管理，CPU Cache用于存储近期频繁访问的数据，内存用于存储当前执行的程序和数据，而硬盘则用于存储大量数据和长期存储。

1分秒= 10厘秒；1厘秒= 10 毫秒；1 毫秒= 1000微秒；1微秒= 1000纳秒；1纳秒= 1000皮秒。

2、CPU CacheL1 L2 L3读取数据的时间量级差距有多大？

差距不大，都是纳秒级别，CPU访问L1 Cache大概延时是1-2纳秒，访问L2 Cache大概延时5-10纳秒，访问L3 Cache大概延时10-30纳秒。

内核态

1、什么是内核？

计算机是由各种外部硬件设备组成的，比如内存、CPU、硬盘等，如果每个应用都要和这些硬件设备对接通信协议，那这样太累了，所有由内核作为中间人，让内核作为应用连接硬件设备的桥梁，应用程序只需要关心与内核交互，不用关心硬件的细节。

内核是操作系统的核心组件，负责管理系统资源、提供硬件抽象层、调度任务和实现进程间通信等功能。内核是系统中第一个加载的程序，并拥有最高的特权级别，控制整个系统的运行和资源分配。它与用户空间程序交互，提供系统调用的接口，实现了操作系统的基本功能。

2、内核态和用户态有什么区别？为什么要区分内核态和用户态？

在CPU的所有指令中，有一些指令是非常危险的，如果错用，将导致整个系统崩溃，比如：清空内存、修改时钟等。如果所有的程序代码都能直接使用这些指令，那么我们的系统可能一天死n次。

所以，CPU将指令分为特权指令和非特权指令。

CPU的特权分级从内到位为Ring0、Ring1、Ring2、Ring3 。根据分级机制，把进程的运行空间分为内核空间和用户空间。

• 内核空间（Ring0）具有最高权限，可以直接访问所有硬件资源，比如硬盘、网卡、内存等。
• 用户空间（Ring3）只能访问受限资源，不能直接访问内存等硬件设备，必须通过系统调用陷入内核态中，才能访问这些特权资源。

为什么要区分用户态和内核态呢？这是为了实现操作系统的核心功能和保证系统的稳定性、安全性以及资源的合理分配。通过区分内核态和用户态，操作系统可以：

• 提供一种安全机制，限制用户程序对系统资源的直接访问，防止恶意程序对系统造成破坏。
• 实现操作系统的核心功能，如管理进程、文件系统、内存管理等，这些功能需要再内核态下进行。
• 实现多任务并发执行，通过在内核态和用户态之间进行，操作系统可以在不同应用程序之间共享处理器资源，实现任务的并发执行。

3、什么时候会由用户态陷入内核态？

• 应用程序执行系统调用的时候，会触发一个软件中断（比如 int指令），会进入内核态执行相应的内核代码，完成后再返回用户态。（用户态主动要求切换到内核态的一种方式）
• 当应用程序发生异常情况，如访问非法内存、除零错误等，CPU会触发一个异常，将控制权转移到内核态的异常处理程序中。
• 当系统接收到外部设备的中断信号，如硬件设备的输入输出请求、定时器中断等，处理器会中断当前的执行，进入内核态执行相应的中断处理程序。

参考资料

https://xiaolincoding.com/os/