计算机硬件

1，cpu内存硬盘                                                                        

   CPU(中央处理器)是一块超大规模的集成电路，是一台计算机的运算核心和控制核心。它的功能主要是解释计算机指令以及处理计算

机软件中的数据。CPU主要包括运算器和高速缓存存储器及实现它们之间联系的数据、控制及状态的总线。它与内部存储器和输入/输出

（I/O）设备合称为电子计算机三大核心部件。

  内存是计算机中重要的部件之一，它是与CPU进行沟通的桥梁。计算机中所有程序的运行都是在内存中进行的，因此内存的性能对计

算机的影响非常大。内存也被称为内存储器，其作用是用于暂时存放CPU中的运算数据，以及与硬盘等外部存储器交换的数据。只要计

算机在运行中，CPU就会把需要运算的数据调到内存中进行运算，当运算完成后CPU再将结果传送出来，内存的运行也决定了计算机的稳

定运行。

  硬盘有机械硬盘（HDD 传统硬盘）、混合硬盘（HHD 一块基于传统机械硬盘诞生出来的新硬盘）。SSD采用闪存颗粒来存储，HDD

采用磁性碟片来存储，混合硬盘(HHD: Hybrid Hard Disk)是把磁性硬盘和闪存集成到一起的一种硬盘。绝大多数硬盘都是固定硬盘，

被永久性地密封固定在硬盘驱动器中。

如上图所示，CPU与内存和硬盘之间的关系是：CPU如果要运行一个程序，那么他需要到内存（临时性，断电则信息全部丢失）中去找

到需要运行的文件，硬盘则需要将CPU要运行的文件放入内存中待CPU运行，CPU运行的结果最后存到具有永久保存性的硬盘之中。

2，cpu之寄存器                                                                         

  寄存器是CPU内的组成部分。寄存器是有限存贮容量的高速存贮部件，它们可用来暂存指令、数据和地址。

  寄存器可以分为通用寄存器、程序计数器、堆栈指针、程序状态字寄存器（PSW）这几类。

  通用寄存器：保存变量和临时结果，存一些关键数据和变量的寄存器。

  程序计数器：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。（旁白：CPU要运行

很多或者一些时间较长的程序时，CPU的工作是每一个程序多一部分，然后停止这是程序计数器负责保存这个工作记录，CPU再去做下一

件事情，再这样的分布多点的工作时，需要程序计数器帮忙保存CPU工作记录和调取保存的工作记录以便CPU继续行。）

   堆栈指针：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。（旁白：堆栈就是先进后出，队列先进先出。吃拉吐举例，汗~~！）

  程序状态字寄存器（PSW）：一个非常重要的寄存器，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狠重要。

 由PSW引出用户态和内核态，多数CPU都有两种模式，即内核态与用户态。

  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，包含使用硬件的所有功能。

  用户态：程序在用户态下运行，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。

  （旁白：当操作系统对CPU发号施令来执行操作时，CPU是允许其执行任何操作的，包括操作硬件，任何操作都可以执行，这就是内核态，

当应用程序给CPU发指令来执行操作时，CPU是会限制其操作硬件的，这就是用户态。我们平时的操作时会有许多内核态与用户态的状态

变化，就是一会要内核态执行操作一会要用户态执行操作，这中间程序状态字寄存器就起到重要作用，方便我们来回切换两种操作状态。）

 

3，cpu的设计演变                                                                       

 

  CPU内部指令集执行命令的过程是取指-解码-执行，如上图所示。

 

  CPU的演变进程中，它的运行效率一直再提升，运行方式也是一直在优化。最开始取值、解码、执行这三个过程是同时进行的，其中一个

过程完成都需要等待其余两个过程执行完毕，会造成时间浪费；后来被设计成了流水线式的设计；再后面是超变量cpu，比流水线更加先进，

有多个执行单元，可以同时负责不同的事情。

 

4，cpu的向下兼容型                                                                    

  兼容性是指硬件之间、软件之间或是软硬件组合系统之间的相互协调工作的程度。兼容的概念比较广，相对于硬件来说，几种不同的电脑

部件，如CPU、主板、显示卡等，如果在工作时能够相互配合、稳定地工作，就说它们之间的兼容性比较好，反之就是兼容性不好。

  CPU的向下兼容性，是指64位CPU能处理32位CPU的任务，但反之32位CPU能不能处理（或者处理时会出错）64位CPU的任务。级别高

的可以包含级别低的，反之则会出错。

 

5，存储器                                                                                   

 

 

  寄存器：即L1缓存，位于CPU内部，与cpu同材质，与cpu一样快，cpu访问它无时延，容量小，存放CPU立即要用的数据。

  缓存：即使L2缓存（也叫高级缓存），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。它的存在也是分担CPU使用缓存的压力，CPU经常要用的一些数据就是放于L2缓存。这里又分为两种：高速缓存命中和

高速缓存未命中。高速缓存命中：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，找到了

就是命中。高速缓存未命中：高速缓存硬件检查所需要的高速缓存行未找到需要读取的存储字，则是未命中，这是就必须访问内存，当

然这样时间也会浪费大量时间。

  主存：也就是内存，是存储器系统的主力，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。

  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。

 

6，磁盘                                                                                     

磁盘，分为5400，7200或10800rpm（RPM =revolutions per minute 每分钟多少转 ），内部有机械臂、磁头、盘片、转轴等，

信息存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），为了统计方法，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换新区域，

称为磁道，每个磁道划成若干扇区，扇区典型的值是512字节。

 

  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，这块地方成为虚拟内存，在linux中成为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，成为存储器管理单元(Memory Management Unit MMU)如上图所示，缓存和MMU的出现提

升了系统的性能。

7，磁带                                                                                     

价钱相同的情况下比硬盘拥有更高的存储容量，速度低于磁盘，但容量大，可移动性强，常被用来做备份，常见于大型数据库系统。

 

8，控制器与多总线                                                                       

 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。

  I/O：Input/Output，输入/输出。

  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

  多总线连接，是指计算机内部的各个部件串联起来，每一个构建都有线路连接起来，构成了整个线路网，分为北桥和南桥。

  北桥即PCI桥：连接高速设备

  南桥即ISA桥：连接慢速设备

 

 

9，操作系统的启动原理                                                                 

 计算机加电之后开始启动：

⑴计算机首先会运行一个程序（小的操作系统），即BIOS（Basic  Input Output system)，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。

⑵BIOS开始运行，会检测硬件如cpu、内存、硬盘等一些硬件的性能运行是否正常，正常的话就会顺利运行，不正常则无法继续进行。

⑶BIOS读取CMOS存储器中的参数，选择启动设备。

⑷从启动设备上读取需要的内容，然后根据信息启动预先设置的好的模块，启动操作系统。

⑸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，系统则会要求用户按

照设备装在驱动程序。当所有驱动程序都完毕，则继续进行到登入程序，并最终显示计算机桌面。

 

10，应用软件的启动流程                                                              

⑴双击应用程序，将命令交给输入设备，输入设备再交给设备控制器，设备控制器再交给操作系统。（相当于我们给操作系统发送了一个

要操作硬件的请求，因应用程序的文件存储于硬盘中）

⑵操作系统去硬盘中找到需要文件独到内存中

⑶操作系统支配CPU去内存中找到需要的文件解码后并执行

⑷应用程序启动起来