计算机硬件

计算机硬件

 计算机的基本结构

 

 

 

底层硬件、操作系统、用户程序（软件）

• 操作系统Operating System（OS）是管理和控制计算机硬件和软件资源的计算机程序，是直接运行在裸机上最基本的系统软件，任何其他软件都必须在操作系统的支持下才能运行。
• 软件必须运行在操作系统之上

1. 如果没有操作系统，那么程序员就必须掌握如何操作硬件的所有具体细节，严重影响了开发效率。
2. 操作系统运行于硬件之上，用来控制硬件。
3. 在开发的时候，只需要调用操作系统为应用程序提供的方便的抽象接口即可。

一套完整的计算机系统

• 应用软件

1. 控制操作系统（最终还是控制了底层的硬件）
2. 必须遵循操作系统提供的标准
3. 最终都是交由底层硬件来执行

• 操作系统（windows、linux）

1. 控制所有硬件
2. 操作系统本身也是一种软件
3. 如果没有操作系统，在编写应用软件的时候就需要同时把那些能够控制对应硬件的程序，这样导致非常麻烦和低效

• 底层硬件（CPU、内存、硬盘）

计算机硬件 

• CPU、内存以及IO设备都有一条总线连接起来并通过与其他设备通信

1. CPU是人的大脑，负责运算
2. 内存是人的记忆
3. 硬盘是人的笔记本，负责永久存储
4. 输入设备是耳朵和眼睛，负责接受外部信息来传递给CPU
5. 输出设备是表情，负责输出经过处理后的结果
6. 以上设备都是通过总线连接，总线相当于人的神经

CPU

• 每一个CPU都有一套可执行的专门指令集，任何软件的执行最终都要转化成CPU能识别的指令去执行，其中包含操作其他硬件的命令
• 应用被CPU执行的过程

1. 从存储介质中取出指令 ——> 解码 ——> 执行（周而复始，直到整个程序被执行完成）

• 寄存器（最快的一种存储设备）

1. 用来保存关键变量和临时数据
2. 存取速度和CPU几乎相同（与CPU相同材质制造，CPU访问它无时延），访问内存并获取指令或数据所需要花费的时间远长与CPU执行命令花费的时间
3. 程序状态字寄存器PSW
   • 包含CPU的优先级、模式（内核态、用户态）、条码位（由比较指令设置）以及其他控制位
   • 在系统调用中，程序状态字寄存器非常重要。

• CPU指令集中的命令可以成两个部分

1. 算术运算和逻辑运算指令
2. 操作其他计算机硬件的指令

对于操作系统而言，其指令被CPU转换成操作其他硬件的指令；但对于用户的应用软件而言，其指令被CPU转换成算术运算和逻辑运算这类计算指令

 

• 内核态与用户态（CPU运行的两种状态）

1. 内核态：操作系统被CPU执行的状态
2. 用户态：应用程序被CPU执行的状态
3. 两者区别？

• • 处于内核态的CPU执行的是操作系统，可以控制硬件，此状态下可以获取CPU的所有指令集（包括控制其他硬件的指令集）
  • 处于用户态的CPU执行的是玉壶软件，不可以操作硬件，而且只能获取CPU指令集的一个子集，该子集中不包括操作硬件的指令集
• 内核态与用户态的互换

1. 应用程序想要控制底层硬件，就需要将CPU所处的用户态转换成内核态，当应用程序操作完硬件之后，再切换回内核态来继续运行应用程序
2. 用户态下工作的软件不能操作硬件，但是有些软件比如暴风影音，一定会由操作硬件的需求，比如从磁盘上读取一个电影文件，那就必须经历从用户态切换到内核态的过程。因此，用户程序必须使用系统调用（system call ），系统调用会先入内核并调用操作系统，CPU的状态从用户态切换到内核态，并启用操作系统而会的服务。

• 多线程与多核芯片

1. 一个CPU中的处理逻辑增多，称为多线程。对于用户来说每一个拥有两线程的CPU就相当于两个CPU。（进程是资源单位，而线程才是CPU的执行单位）
2. 一个物理CPU中可以模拟出多个虚拟的CPU来工作
3. 一个计算机上可以同时有多个物理级别的CPU

存储器

• 高速缓存L2 

1. 内存中有高速缓存行按照064字节为行0，64127为行1。。。最常用的高速缓存行放置在cpu内部或者非常接近cpu的高速缓存中
2. 缓存在计算机科学的许多领域中起着重要的作用，并不仅仅只是RAM（随机存取存储器）的缓存行。只要存在大量的资源可以划分为小的部分，那么这些资源中的某些部分肯定会比其他部分更频发地得到使用，此时用缓存可以带来性能上的提升

一个典型的例子就是操作系统一直在使用缓存，比如，多数操作系统在内存中保留频繁使用的文件（的一部分），以避免从磁盘中重复地调用这些文件，类似的/root/a/b/c/d/e/f/a.txt的长路径名转换成该文件所在的磁盘地址的结果然后放入缓存，可以避免重复寻找地址，还有一个web页面的url地址转换为网络地址(IP)地址后，这个转换结果也可以缓存起来供将来使用。

　　　　　　　　　　图5.3　　计算机的存储器类型分类

 

•  内存 

1. 主存（随机访问存储RAM，存储器系统主力）
2. 易失性存储，断电后，保存的数据就消失了
3. 所有不能再高速缓存中找到的，都会到主存中找

• ROM（read only memory，非易失性随机访问存储）

1. 在电源切断之后，非易失性存储的内容并不会丢失
2. ROM只读存储器在工厂中就被编程完毕，然后再也不能修改
3. 在有些计算机中，用于启动计算机的引导加载模块就存放在ROM中，另外一些I/O卡也采用ROM处理底层设备的控制

• EEPROM（electrically erasable PROM ，电可擦除可编程ROM）和闪存（flash memory）

1. 非易失性
2. 可以擦除和重写(重写花费时间比写入RAM时间久)
3. 在便携式电子设备中中，闪存通常作为存储媒介（固态硬盘）
4. 闪存在速度上介于RAM和磁盘之间，但与磁盘不同的是，闪存擦除的次数2过多，就被磨损了

• CMOS存储器 

1. 易失性存储
2. CMOS可以用来保存配置的参数，比如计算机启动时其中就保存了启动磁盘的配置信息

磁盘

• 磁头：通过磁性原理读取磁性介质上数据的部件（利用特殊材料的电阻值随着磁场变化的原理来读写盘片上的数据）
• 磁道：磁盘旋转时，磁头在磁盘表面画出的一个圆形轨迹
• 扇区：磁盘上的每一个磁道被分为若干个弧段，这些弧段就是磁盘的山区。磁盘的读写以扇区为基本单位（512字节）
• 柱面：上下一串盘片中，相同半径的刺刀所组成的一个圆柱形环壁。
• 数据都存放于一段段的扇区，从磁盘读取一段数据需要经历寻道时间和延迟时间
• 平均寻道时间：机械手臂从一个柱面随机移动到相邻柱面的时间就是寻道时间，找到了磁道就意味着磁头找到了数据所在的磁道，但是此时还无法确认数据具体在磁道上的扇区
• 磁盘调度算法

1. 1. FCFS　　先来先服务
   2. SSTF　　最短寻道时间优先
   3. SCAN　　不仅考虑到欲访问的磁道与当前磁道间的距离，更优先考虑的是磁头当前的移动方向。
   4. CSCAN　磁头单向移动，循环扫描
   5. NSepSCAN和FSCAN调度算法

• 平均延迟时间：机械手臂到达正确的磁道之后还必须等待旋转到数据所在的扇区下，这段时间就是延迟时间

计算机的启动

• 硬盘中，电脑启动时，最终操作系统的代码要给CPU去运行。也就是说，硬盘中操作系统的代码首先会加载到内存，CPU读取内存中操作系统的指令之后再执行。但是必须有一种机制明确的告诉计算机哪一个硬盘是启动盘，而这个机制就是BIOS程序（基本输出输出程序）。
• BIOS就相当于一个系统操作系统，它有底层的I/O软件，包括读键盘，写屏幕，进行磁盘I/O。BIOS回到它对应的存储设备CMOS存储器中去读取上次认为配置的启动盘位置，因此BIOS可以确定启动盘是那一块硬盘。

1. 计算机加电
2. BIOS开始运行，检测硬件：CPU、内存、硬盘
3. BIOS读取CMOS存储器中的参数，选择启动设备（BIOS告诉启动硬盘在哪儿）
4. 从启动设备上读取第一个扇区的内容（MBR主引导记录512字节，前446为引导信息，后64为分区信息，最后两个为标志位）
5. 根据MBR读入grub（一种bootloader）之后找到内核，将内核代码读入内存，之后CPU加载代码并运行，进而启动操作系统
6. 操作系统询问BIOS，获取配置信息。对于每种设备，系统会检查其设备驱动程序是否存在，如果没有，系统则会要求用户安装设备驱动程序。一旦有了全部的设备驱动程序，操作系统就将它们调入内核，然后初始有关的表格（如进程表），创建需要的进程，并在每一个终端上启动登陆程序或GUI

用户应用软件的启动

　　1.双击快捷方式

　　2.告诉操作系统一个文件路径

　　3.操作系统从硬盘读取文件到内存中

　　4.cpu从内存中读取数据执行