Linux内核完全剖析—基于0.12内核(前五章).doc

第2章? 微型计算机组成结构 任何一个系统都由4个基本部分组成，其模型如图2-1所示。其中输入部分用于接收进入系统的信息或数据，经过处理中心加工后再由输出部分送出；能源部分为整个系统提供操作运行的能源供给（包括输入和输出部分操作所需要的能量）。 计算机系统也不例外，它也主要由这四部分组成。不过在内部，计算机系统的处理中心与输入/输出部分之间的通道或接口都是共享使用的，因此图2-1b应该更能恰当地抽象表示一个计算机系统。当然，对计算机或很多复杂系统来说，其中各个子部分都可以独立地看做一个完整的子系统，并且也能使用这个模型来描述，而一个完整的计算机系统整体则由这些子系统构成。 计算机系统可分为硬件部分和软件部分，但两者互相依存。硬件部分是计算机系统的可见部分，是软件运行和存储的平台。软件是一种控制硬件操作和动作的指令流。犹如存储于人类大脑中的信息和思维控制着人体的思想和动作一样，软件可以看做是计算机大脑中的信息和思维。本书描述的主题就是一个计算机系统的运行机制，主要说明系统的处理中心、输入/输出部分的硬件组成原理和软件控制的实现。在硬件方面，我们概要说明基于Intel 80x86的中央处理器（Central Processing Unit，CPU）的IBM PC及其兼容机的硬件系统，计算机的CPU芯片可以直接看做系统的处理中心，它通过总线接口与其他部分相连；而对于运行在其上的软件，我们则专门详细描述Linux操作系统内核的实现。 可见，操作系统与所运行的硬件环境密切相关。如果想彻底理解操作系统运行全过程，那么就需要了解它的运行硬件环境。本章基于传统微机系统的硬件组成框图，介绍了微机中各个主要部分的功能。这些内容已基本能够建立起阅读Linux 0.12内核的硬件基础。为了便于说明，术语PC/AT将用来表示具有80386或以上CPU的IBM PC及其兼容微机，而PC则用来泛指所有微机，包括IBM PC/XT及其兼容微机。 2.1? 微型计算机组成原理 我们从俯瞰的角度来说明采用80386或以上CPU的PC系统组成结构。一个传统微型计算机硬件组成结构如图2-2所示。其中，CPU通过地址线、数据线和控制信号线组成的本地总线（或称为内部总线）与系统其他部分进行数据通信。地址线用于提供内存或I/O设备的地址，即指明需要读/写数据的具体位置。数据线用于在CPU和内存或I/O设备之间提供数据传输的通道，而控制线则负责指挥执行的具体读/写操作。对于使用80386 CPU的PC，其内部地址线和数据线都分别有32根，即都是32位的。因此地址寻址空间范围有232B，即0～4GB。 图中上部控制器和存储器接口通常都集成在计算机主板上。这些控制器都是以一块大规模集成电路芯片为主组成的功能电路。例如，中断控制器由Intel 8259A或其兼容芯片构成；DMA控制器通常采用Intel 8237A芯片构成；定时计数器的核心则是Intel 8253/8254定时芯片；键盘控制器使用的是Intel 8042芯片与键盘中的扫描电路进行通信。 图中下方的控制卡（或者称为适配器）则是通过扩展插槽与主板上的系统总线连接。总线插槽是系统地址总线、数据总线和控制线与扩展设备控制器的标准连接接口。这些总线接口标准通常有工业标准结构（Industry Standard Architecture，ISA）总线、扩展工业标准结构（Extended ISA，EISA）总线、外围组件互连（Peripheral Component Interconnect，PCI）总线、加速图形端口（Accelerated Graphics Port，AGP）视频总线等。这些总线接口的主要区别在于数据传输速率和控制灵活性方面。随着计算机硬件的发展，传输速率更高、控制更灵活的总线接口还在不断推出，例如采用串行通信点对点技术的高速PCIE（PCI Express）总线。最初的80386机器上只有ISA总线，因此系统与外部I/O设备最多只能使用16位数据线进行数据传输。 随着计算机技术的发展，很多原来使用控制卡来完成的功能（如硬盘控制器功能）都已经集成在计算机主机板上少数几个超大规模集成电路芯片中，几个甚至是一个这样的芯片就确定了主机板的主要特性和功能，并且为了让系统的不同部分都能达到其最高传输速率，总线结构也发生了很大变化。现代PC的组成结构通常可以使用图2-3来描述。除了CPU以外，现代PC主板主要由2个超大规模芯片构成的芯片组或芯片集（Chipsets）组成：北桥（Northbridge）芯片和南桥（Southbridge）芯片。北桥芯片用于与CPU、内存和AGP视频接口，这些接口具有很高的传输速率。北桥芯片还起着存储器控制作用，因此Intel把该芯片标号为MCH（Memory Controller Hub）