计算机硬件和基本的原理

一.计算机硬件的介绍：
从概念上讲：一个简单的计算机就是将CPU，内存以及一些i/o设备通过一条总线连接起来，
并且通过总线与其他设备通信。
1.cpu:cpu就相当于人类的大脑，负责分析和处理数据
2.内存：内存相当与人类的记忆，负责临时存储。内存也是易失性的
3.硬盘：硬盘相当于笔记本，用于永久存储。
4.输入设备：相当于人类的眼睛或者耳朵，用于从外界接收信息并将其传给CPU
5.输出设备：输出设备相当于人类的表情，用于输出信息经过处理后的结果
总线相当于人类的神经，负责各个设备之间的通信。

1.1  处理器：cpu

概念：cpu就相当于人类的大脑，它从内存中 取指令→解码→执行，然后再取指令→解码→执行
周而复始，直到整个程序被执行完成。每个cpu都有一套自己的指令集，任何软件的执行都要转化
为cpu的指令取执行。
1.2  寄存器：（寄存器与cpu的材质是一样的，L1缓存)
由于cpu处理数据的速度比从内存中取指令的速度要快，有速度差，为了提高效率，寄存器就出现了。
在CPU中的，提供了一些特殊的指令集，用来将数据从内存中调入寄存器中，或者从寄存器存入内存中，
寄存器有很多种，功能也不同。
寄存器的分类：
1.通用寄存器：用来存放关键变量和临时数据的寄存器

 

2.程序计数器：用来保存cpu将要取出的下一条的指令的内存地址。在指令取出后，程序计数器更新以执行后期的指令
3.堆栈指针（先进后出）：它指向内存中当前栈的顶端。它用来
4.程序状态字寄存器（PSW）：这个寄存器包含了条码位（有比较指令设置），cpu优先级，模式（内核态或用户态），以及各种控制位。
用户通常读入整个PSW，当只对其中的少量字段写入。在系统调用和i\o 中，非常重要。

寄存器的维护：操作系统必须知晓所有的寄存器，在时间多路复用的CPU中，由于cpu经常要终止一个正在运行的程序并启动另外一个程序，
在终止一个正在运行的程序时，必须保存所有的寄存器，这样，在再次运行这个终止的程序时，能够重新载入寄存器并再次运行。

大多数的CPU有两种模式：内核态和用户态

内核态：内核态是cpu陷入内核态，能够执行所有指令集，包括控制硬件的指令。
用户态: 用户态是应用程序在用户态下运行，只能执行指令集的一个子集，该子集中不包含控制硬件的功能。
因此，在一般情况下，在用户态下，有关i/o和内存保护。在用户态下，PWS是禁止写成内核态的

内核态和用户态的切换，在PSW中有一个二进制位是控制其转换的。由于在用户态下不能操作硬件，当应用软件需要操作硬件的需求时，
就必须从用户态切换至内核态，这时启用系统调用（system call）,使系统陷入内核并调用操作系统，通过PRAP指令将用户态切换至内核态
，从而能够操作硬件

进程和多线程：
 
进程：是一个资源单位
线程：是一个执行单位
进程和线程的关系：
1.地址空间：一个进程可以有多个线程，但至少有一个线程。线程共享进程内的地址空间，但进程有自己独立的地址空间。
2.资源拥有：进程是资源拥有和分配的单位，线程共享进程内的所有资源
3.线程是操作系统可识别的最小执行和调度单位，但进程不是
4.线程执行过程中，需要协作同步。不同进程的线程间要通过消息通信的办法来实现。

多核芯片：多核芯片一般为intel和AMD多核芯片

intel芯片主要是，由于是共享一个缓存，会出现L2缓存抢占的情况
AMD芯片主要是，由于是每个独立的CPU都有自己的一个cpu，会出现在L2保持一致性的问题上很困难

cpu的向下兼容性：
64位的cpu，是指一次能够从内存取64位，32位的CPU，是指一次能够从内存中取32位
32位的软件可以在64位操作系统下运行，但64位的软件不可以在32的操作系统上运行

 

存储设备：寄存器L1（1ns,<1kb）→高速缓存L2(2ns,4MB)→内存(10ns,512MB-2048MB）→硬盘（10ms,）→磁带(100s)  读取速度从前到后依次变小，存储空间从前到后依次变大

高速缓存命中：当一个应用程序需要读取存储的字时，高速缓存硬件会检查其是否在高速缓存中，如果在，则成为高速缓存命中，如果不在，就会访问内存。

磁盘：磁头，磁道，柱面
-磁头
-盘片：
-扇区：每个磁道化成若干个扇区，一个扇区通常为512字节
-磁道：每个盘片上磁头划过的一个个圆是磁道
-柱面：不同的盘片间若干个同心圆形成的圆柱称为一个柱面

平均寻道时间：磁头从一个柱面移动到相邻的柱面的时间为寻道时间。
平均延迟时间：磁头到达了正确的磁道后还必须找到正确的扇区，这段时间为延迟时间

虚拟内存：将正在使用的程序放到内存去，将暂时不需要执行的程序的放在硬盘上的某个地方，这个地方为虚拟内存。
linux里面的虚拟内存是SWAP，这种机制的核心在与快速的映射内存地址，由CPU中的一个部件负责，称为存储器管理单元（MMU）

上下文切换：从一个程序切换到另外一个程序，称为上下文切换。

总线：
PCI:南桥链接慢速设备
ISA:北桥链接高速设备

计算机原理：

1.编程语言的作用：
编程语言是操作，操作系统是平台，编程语言是为了与计算机沟通，让计算机完成你想要完成的目标。

2.计算机发展历史：电子管->晶体管->集成电路->大规模集成电路。

3.硬件系统有五大部分组成：
运算器：是负责算术运算与逻辑运算，与控制器共同组成了中央处理器（cpu）
控制器：是负责发送和接受指令
存储器：是用来存储正在进行程序，将要进行程序的
输入设备：用来进行输入的设备。键盘
输出设备：用来进行输出的设备。显示屏

4.硬件和操作系统的关系：
首先操作系统是躺在硬盘上的，也可以说成操作系统是计算机硬件的接口，应用软件是不能控制直接控制硬件的，
而操作系统可以直接控制硬件，简单的说操作系统也是程序，程序由编程语言写成的，编程语言通过编译后转化为
二进制，然后通过电流信号（0表示低电频，1表示高电频）控制硬件

5.操作系统的启动流程：
-1.计算机加电
-2.计算机加载主板上的BIOS程序，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（配置信息放在CMOS存储器里面，BIOS已经设置好系统盘在哪个位置），选择启动设备
-4.从启动设备中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位为分区信息，最后两个为标志位）
-5.根据分区信息读入bootloader启动装载模块（bootloader模块将操作系统的代码加载到内存中)启动操作系统
-6.然后操作系统会询问BIOS,以获取配置信息，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，系统会要求用户
按装设备驱动程序，当有了全部的设备驱动程序，操作系统会将它们加载到内核中，然后初始有关的表格，创建需要的进程，并在每个终端上启动登入程序或GUI

6.应用程序的启动流程：
-1.点击程序运行（由于操作系统时刻对桌面进行监控），对操作系统发起系统调用，
-2.操作系统切换至内核态，然后操作硬盘，将硬盘上应用程序的数据加载到内存中，然后cpu执行，软件就启动了。

操作系统：
操作系统位于硬件和应用软件之间，操作系统有操作系统的内核（内核态）以及系统调用（用户态）两部分组成。

操作系统的功能：
1.隐藏了丑陋的硬件的调用接口，为应用程序员提供调用硬件资源的更好的，更简单，更清晰的模型（系统调用接口）。
2.将应用程序对硬件资源的竞态请求变得有序化。

多路复用：
1.时间上的复用：当一个资源在时间上复用时，不同的程序和用户轮流用它，第一个程序获取该资源使用结束后，第二个程序再使用该资源。
比如当一个程序执行i/o时，cpu可以给另外一个程序用。

2.空间上的复用：将内存分成几个部分，每个部分存放一个程序，这样，同一时间，内存就能存放多个程序。
空间上复用实现的前提是硬件层次能够支持物理上的隔离。
如果硬件层次不能支持物理上的隔离，则首先会出现安全性的丧失，其次是稳定性的丧失。
时间上的复用和空间上的复用组合在一起就是多道技术。