计算机基础系列一：计算机硬件
计算机（Computer），俗称电脑，是一种能够按照事先存储的程序，自动、高速地进行大量数值运算和各种信息处理的现代化智能电子设备。计算机硬件发展史（From Egon）
计算机系统
一台完整的计算机硬件系统由以下5部分构成：运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备。
图1
图2CPU（Center Processing Unit,集运算及控制）
整个计算机硬件系统中，最重要的当属CPU了，它在整个计算机系统中的作用就相当于我们的大脑。它从内存中取指令->解码->执行，然后再取指令->解码->执行下一条指令，周而复始，直至整个程序被执行完成。因为访问内存以得到指令或数据的时间比cpu执行指令花费的时间要长得多，所以，CPU内部都有一些用来保存关键变量和临时数据的寄存器，这样通常在cpu的指令集中专门提供一些指令，用来将一个字（可以理解为数据）从内存调入寄存器，以及将一个字从寄存器存入内存。cpu其他的指令集可以把来自寄存器、内存的操作数据组合，或者用两者产生一个结果，比如将两个字相加并把结果存在寄存器或内存中。这样再次调用寄存器中的指令就会使等待时间大大缩短。
寄存器的分类：
1.保存变量和临时结果的通用寄存器。
2.多数计算机还有一些对程序员设计的专门寄存器，其中之一便是程序计数器（或称为指令指针），它保存了将要取出的下一条指令的内存地址。在指令取出后，程序计算器就被更新以便执行后期的指令。
3.另外一个寄存器便是堆栈指针，它指向内存中当前栈的顶端。该栈包含已经进入但是还没有退出的每个过程中的一个框架。在一个过程的堆栈框架中保存了有关的输入参数、局部变量以及那些没有保存在寄存器中的临时变量。
4.最后一个非常重要的寄存器就是程序状态字寄存器(Program Status Word,PSW),这个寄存器包含了条码位(由比较指令设置)、CPU优先级、模式（用户态或内核态），以及各种其他控制位。用户通常读入整个PSW，但是只对其中少量的字段写入。在系统调用和I/O中，PSW非常非常非常非常非常非常重要。
除了在嵌入式系统中的非常简单的CPU之外，多数CPU都有两种模式，即内核态与用户态。通常，PSW中有一个二进制位控制这两种模式。
内核态：当cpu在内核态运行时，cpu可以执行指令集中所有的指令，很明显，所有的指令中包含了使用硬件的所有功能。（操作系统在内核态下运行，从而可以访问整个硬件）
用户态：用户程序在用户态下运行，仅仅只能执行cpu整个指令集的一个子集，该子集中不包含操作硬件功能的部分，因此，一般情况下，在用户态中有关I/O和内存保护（操作系统占用的内存是受保护的，不能被别的程序占用），当然，在用户态下，将PSW中的模式设置成内核态也是禁止的。
那为什么需要设计出两种工作模式呢？由于需要限制不同的程序之间的访问能力, 防止他们获取别的程序的内存数据, 或者获取外围设备的数据, 并发送到网络, CPU从而划分出两个权限等级。
所有用户程序都是运行在用户态的，但是有时候程序确实需要做一些内核态的事情， 例如从硬盘读取数据，或者从键盘获取输入等。而唯一可以做这些事情的就是操作系统，所以此时程序就需要向操作系统请求以程序的名义来执行这些操作。
这时需要一个这样的机制: 用户态程序切换到内核态，但是不能控制在内核态中执行的指令，这种机制叫系统调用（system call），在CPU中的实现称之为陷阱指令(Trap Instruction)。
它们的工作流程如下:
- 用户态程序将一些数据值放在寄存器中, 或者使用参数创建一个堆栈(stack frame), 以此表明需要操作系统提供的服务。
- 用户态程序执行陷阱指令。
- CPU切换到内核态, 并跳到位于内存指定位置的指令, 这些指令是操作系统的一部分, 他们具有内存保护, 不可被用户态程序访问。
- 这些指令称之为陷阱(trap)或者系统调用处理器(system call handler)。他们会读取程序放入内存的数据参数, 并执行程序请求的服务。
- 系统调用完成后，操作系统会重置CPU为用户态并返回系统调用的结果。
多线程和多核芯片
Moore定律指出，芯片中的晶体管数量每18个月翻一倍，随着晶体管数量的增多，更强大的功能成为了可能，如
I.第一步增强：在cpu芯片中加入更大的缓存，一级缓存L1，用和cpu相同的材质制成，cpu访问它没有延时。
II.第二步增强：一个cpu中的处理逻辑增多，intel公司首次提出，称为多线程（multithreading）或超线程（hyperthreading），对用户来说一个有两个线程的cpu就相当于两个cpu。多线程运行cpu保持两个不同的线程状态，可以在纳秒级的时间内来回切换，速度快到你看到的结果是并发的，伪并行的，然而多线程不提供真正的并行处理，一个cpu同一时刻只能处理一个进程（一个进程中至少一个线程，进程是资源单位而线程才是cpu的执行单位）。
III.第三步增强：除了多线程，还出现了包含2个或者4个完整处理器的cpu芯片，如下图。要使用这类多核芯片肯定需要有多处理操作系统。
图3
存储器
由于硬件技术的限制，我们可以制造出容量很小但很快的存储器，也可以制造出容量很大但很慢的存储器，鱼与熊掌不可兼得，不可能制造出访问速度又快容量又大的存储器。因此，现代计算机都把存储器分成若干级，称为Memory Hierarchy，按照离CPU由近到远的顺序依次是CPU寄存器、Cache、内存、硬盘，越靠近CPU的存储器容量越小但访问速度越快，下图给出了各种存储器的容量和访问速度的典型值。
图4
寄存器、Cache和内存中的数据都是掉电丢失的，这称为易失性存储器（Volatile Memory），与之相对的，硬盘是一种非易失性存储器（Non-volatile Memory）。
除了访问寄存器由程序指令直接控制之外，访问其它存储器都不是由指令直接控制的，有些是硬件自动完成的，有些是操作系统配合硬件完成的。
Cache从内存取数据时一次取一个Cache Line缓存起来，操作系统从硬盘取数据时一次取 几KB缓存起来，都是希望这些数据以后会被访问到。大多数程序的行为都具有局部性 （Locality）的特点：它们会花费大量的时间反复执行一小段代码（例如循环），或者反 复访问一个很小的地址范围中的数据（例如访问一个数组）。所以预读缓存的办法是很有 效的：CPU取一条指令，我把它相邻的指令也都缓存起来，CPU很可能马上就会取 到；CPU访问一个数据，我把它相邻的数据也都缓存起来，CPU很可能马上就会访问到。 设想有两台计算机，一台有32KB的Cache，另一台没有Cache，而内存都是512MB的， 硬盘都是100GB的，虽然多出来32KB的Cache和内存、硬盘的容量相比微不足道，但由 于局部性原理，有Cache的计算机明显会快很多。高速存储器即使容量只能做得很小也能 显著提升计算机的性能，这就是Memory Hierarchy的意义所在。
寄存器即L1缓存：
用与cpu相同材质制造，与cpu一样快，因而cpu访问它无延时，典型容量是：在32位cpu中为32*32，在64位cpu中为64*64，在两种情况下容量均<1KB。
高速缓存即L2缓存：
主要由硬件控制高速缓存的存取，内存中有高速缓存行按照0~64字节为行0，64~127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。当某个程序需要读一个存储字时，高速缓存硬件检查所需要的高速缓存行是否在高速缓存中。如果是，则称为高速缓存命中，缓存满足了请求，就不需要通过总线把访问请求送往主存(内存)，这毕竟是慢的。高速缓存的命中通常需要两个时钟周期。高速缓存未命中，就必须访问内存，这需要付出大量的时间代价。由于高速缓存价格昂贵，所以其大小有限，有些机器具有两级甚至三级高速缓存，每一级高速缓存比前一级慢但是容量大。
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繁地得到使用。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。
缓存是一个好方法，在现代cpu中设计了两个缓存，再看图3中的两种cpu设计。第一级缓存称为L1总是在CPU中，通常用来将已经解码的指令调入cpu的执行引擎，对那些频繁使用的数据自，多少芯片还会按照第二L1缓存 。。。另外往往设计有二级缓存L2，用来存放近来经常使用的内存字。L1与L2的差别在于对cpu对L1的访问无时间延迟，而对L2的访问则有1-2个时钟周期（即1-2ns）的延迟。
内存：
再往下一层是主存，此乃存储器系统的主力，主存通常称为随机访问存储RAM，就是我们通常所说的内存，容量一直在不断攀升，所有不能再高速缓存中找到的，都会到主存中找，主存是易失性存储，断电后数据全部消失。
除了主存RAM之外，许多计算机已经在使用少量的非易失性随机访问存储如ROM（Read Only Memory，ROM），在电源切断之后，非易失性存储的内容并不会丢失，ROM只读存储器在工厂中就被编程完毕，然后再也不能修改。ROM速度快且便宜，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）也是非易失性的，但是与ROM相反，他们可以擦除和重写。不过重写时花费的时间比写入RAM要多。在便携式电子设备中，闪存通常作为存储媒介。闪存是数码相机中的胶卷，是便携式音译播放器的磁盘，还应用于固态硬盘。闪存在速度上介于RAM和磁盘之间，但与磁盘不同的是，闪存擦除的次数过多，就被磨损了。
还有一类存储器就是CMOS，它是易失性的，许多计算机利用CMOS存储器来保持当前时间和日期。CMOS存储器和递增时间的电路由一小块电池驱动，所以，即使计算机没有加电，时间也仍然可以正确地更新，除此之外CMOS还可以保存配置的参数，比如，哪一个是启动磁盘等，之所以采用CMOS是因为它耗电非常少，一块工厂原装电池往往能使用若干年，但是当电池失效时，相关的配置和时间等都将丢失。
磁盘：
磁盘低速的原因是因为它是一种机械装置，在磁盘中有一个或多个金属盘片，它们以5400，7200或10800rpm（RPM =revolutions per minute 每分钟多少转 ）的速度旋转。从边缘开始有一个机械臂悬在盘面上，这类似于老式黑胶唱片机上的拾音臂。信息写在磁盘上的一些列的同心圆上，是一连串的2进制位（称为bit位），为了统计方便，8个bit称为一个字节bytes，1024bytes=1k，1024k=1M，1024M=1G,所以我们平时所说的磁盘容量最终指的就是磁盘能写多少个2进制位。
每个磁头可以读取一段环形区域，称为磁道。把一个机械手臂位置上所有的磁道合起来，组成一个柱面。每个磁道划成若干扇区，扇区典型的值是512字节。
数据都存放于一段一段的扇区，即磁道这个圆圈的一小段圆圈，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的柱面的时间成为寻到时间，找到了磁道就以为着招到了数据所在的那个圈圈，但是还不知道数据具体这个圆圈的具体位置。
平均延迟时间：
机械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，这段时间称为延迟时间。
虚拟内存：
许多计算机支持虚拟内存机制，该机制使计算机可以运行大于物理内存的程序，方法是将正在使用的程序放入内存取执行，而暂时不需要执行的程序放到磁盘的某块地方，这块地方称为虚拟内存，在linux中称为swap。这种机制的核心在于快速地映射内存地址，由cpu中的一个部件负责，称为存储器管理单元(Memory Management Unit ，MMU)。
PS：从一个程序切换到另外一个程序，称为上下文切换(context switch),缓存和MMU的出现提升了系统的性能，尤其是上下文切换。
图5
图6
I/O设备
cpu和存储器并不是操作系统唯一需要管理的资源，I/O设备也是非常重要的一环。I/O设备一般包括两个部分：设备控制器和设备本身。
控制器：是查找主板上的一块芯片或一组芯片（硬盘，网卡，声卡等都需要插到一个口上，这个口连的便是控制器），控制器负责控制连接的设备，它从操作系统接收命令，比如读硬盘数据，然后就对硬盘设备发起读请求来读出内容。
控制器的功能：通常情况下对设备的控制是非常复杂和具体的，控制器的任务就是为操作系统屏蔽这些复杂而具体的工作，提供给操作系统一个简单而清晰的接口
设备本身：有相对简单的接口且标准的，这样大家都可以为其编写驱动程序了。要想调用设备，必须根据该接口编写复杂而具体的程序，于是有了控制器提供设备驱动接口给操作系统。必须把设备驱动程序安装到操作系统中。
总线
从概念上讲，一台简单的个人计算机可以抽象为类似图7的模型，CPU、内存以及I/O设备都由一条系统总线（bus）连接起来并通过总线与其他设备通信。但是随着处理器和存储器速度越来越快，单总线很难处理总线的交通流量了，于是出现了图8的多总线模式，他们处理I/O设备及cpu到存储器的速度都更快。
北桥即PCI桥：连接高速设备
南桥即ISA桥：连接慢速设备
图7
图8
启动计算机
在计算机的主板上有一个基本的输入输出程序（Basic Input Output System，BIOS)
BIOS就相当于一个小的操作系统，它有底层的I/O软件，包括读键盘，写屏幕，进行磁盘I/O,该程序存放于一非易失性闪存RAM中。
启动流程：
1.计算机加电。
2.BIOS开始运行，检测硬件：cpu、内存、硬盘等。
3.BIOS读取CMOS存储器中的参数，选择启动设备。
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.根据分区信息读入bootloader启动装载模块，启动操作系统。
6.然后操作系统询问BIOS，以获得配置信息。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，并在每个终端上启动登录程序或GUI。
ps.这是来到Oldboy的第二天，上面的许多基础知识和概念是非常重要的。了解了底层，才能接触更高端。在这里整理记录下来这些知识，希望以后能够温故而知新，天天进步！
