計算機基礎知識

時間 2019-11-10

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1. 處理器

　　CPU的根本任務就是執行指令，對計算機來講最終都是一串由「0」和「1」組成的序列。CPU從邏輯上能夠劃分紅3個模塊，分別是控制單元、運算單元和存儲單元，這三部分由CPU內部總線鏈接起來。以下所示：linux

控制單元：控制單元是整個CPU的指揮控制中心，由指令寄存器IR(Instruction Register)、指令譯碼器ID(Instruction Decoder)和操做控制器OC(Operation Controller)等，對協調整個電腦有序工做極爲重要。它根據用戶預先編好的程序，依次從存儲器中取出各條指令，放在指令寄存器IR中，經過指令譯碼(分析)肯定應該進行什麼操做，而後經過操做控制器OC，按肯定的時序，向相應的部件發出微操做控制信號。操做控制器OC中主要包括節拍脈衝發生器、控制矩陣、時鐘脈衝發生器、復位電路和啓停電路等控制邏輯。程序員

運算單元：是運算器的核心。能夠執行算術運算(包括加減乘數等基本運算及其附加運算)和邏輯運算(包括移位、邏輯測試或兩個值比較)。相對控制單元而言，運算器接受控制單元的命令而進行動做，即運算單元所進行的所有操做都是由控制單元發出的控制信號來指揮的，因此它是執行部件。web

存儲單元：包括CPU片內緩存和寄存器組，是CPU中暫時存放數據的地方，裏面保存着那些等待處理的數據，或已經處理過的數據，CPU訪問寄存器所用的時間要比訪問內存的時間短。採用寄存器，能夠減小CPU訪問內存的次數，從而提升了CPU的工做速度。但由於受到芯片面積和集成度所限，寄存器組的容量不可能很大。寄存器組可分爲專用寄存器和通用寄存器。專用寄存器的做用是固定的，分別寄存相應的數據。而通用寄存器用途普遍並可由程序員規定其用途，通用寄存器的數目因微處理器而異。這個是咱們之後要介紹這個重點，這裏先提一下。shell

咱們將上圖細化一下，能夠得出CPU的工做原理歸納以下：數據庫

總的來講，CPU從內存中一條一條地取出指令和相應的數據，按指令操做碼的規定，對數據進行運算處理，直到程序執行完畢爲止。
上圖中我沒有畫總線，只是用邏輯方式對其進行呈現。緣由早期Intel的微處理器，諸如8085，8086/8088CPU，廣泛採用了地址總線和數據總線複用技術，即將部分(或所有)地址總線與數據總線共用CPU的一些引腳。例如8086外部地址總線有20根，數據總線複用了地址總線的前16根引腳。複用的數據總線和地址總線雖然能夠少CPU的引腳數，但卻引入了控制邏輯及操做序列上的複雜性。因此，自80286開始，Intel的CPU才採用分開的地址總線和數據總線。
無論是複用仍是分開，對咱們理解CPU的運行原理沒啥影響，上圖沒畫總線的目的就是怕有些人太過於追求細節，一頭紮下去，浮不起來，不能從宏觀上藐視敵人。編程

OK，總結一下，CPU的運行原理就是：控制單元在時序脈衝的做用下，將指令計數器裏所指向的指令地址(這個地址是在內存裏的)送到地址總線上去，而後CPU將這個地址裏的指令讀到指令寄存器進行譯碼。對於執行指令過程當中所須要用到的數據，會將數據地址也送到地址總線，而後CPU把數據讀到CPU的內部存儲單元(就是內部寄存器)暫存起來，最後命令運算單元對數據進行處理加工。周而復始，一直這樣執行下去，天荒地老，海枯枝爛，直到停電。緩存

一、取指令：CPU的控制器從內存讀取一條指令並放入指令寄存器。指令的格式通常是這個樣子滴：網絡

二、指令譯碼：指令寄存器中的指令通過譯碼，決定該指令應進行何種操做(就是指令裏的操做碼)、操做數在哪裏(操做數的地址)。
三、 執行指令，分兩個階段「取操做數」和「進行運算」。
四、 修改指令計數器，決定下一條指令的地址。併發

各類寄存器彙總

計算機寄存器分類簡介:異步

32位CPU所含有的寄存器有：

4個數據寄存器(EAX、EBX、ECX和EDX)

2個變址和指針寄存器(ESI和EDI) 2個指針寄存器(ESP和EBP)

6個段寄存器(ES、CS、SS、DS、FS和GS)

1個指令指針寄存器(EIP) 1個標誌寄存器(EFlags)

一、數據寄存器

數據寄存器主要用來保存操做數和運算結果等信息，從而節省讀取操做數所需佔用總線和訪問存儲器的時間。

32位CPU有4個32位的通用寄存器EAX、EBX、ECX和EDX。

對低16位數據的存取，不會影響高16位的數據。

這些低16位寄存器分別命名爲：AX、BX、CX和DX，它和先前的CPU中的寄存器相一致。

4個16位寄存器又可分割成8個獨立的8位寄存器(AX：AH-AL、BX：BH-BL、CX：CH-CL、DX：DH-DL)，每一個寄存器都有本身的名稱，可獨立存取。

程序員可利用數據寄存器的這種「可分可合」的特性，靈活地處理字/字節的信息。

寄存器EAX一般稱爲累加器(Accumulator)，用累加器進行的操做可能須要更少時間。可用於乘、除、輸入/輸出等操做，使用頻率很高；

寄存器EBX稱爲基地址寄存器(Base Register)。它可做爲存儲器指針來使用；

寄存器ECX稱爲計數寄存器(Count Register)。

在循環和字符串操做時，要用它來控制循環次數；在位操做中，當移多位時，要用CL來指明移位的位數；

寄存器EDX稱爲數據寄存器(Data Register)。在進行乘、除運算時，它可做爲默認的操做數參與運算，也可用於存放I/O的端口地址。

在16位CPU中，AX、BX、CX和DX不能做爲基址和變址寄存器來存放存儲單元的地址，

在32位CPU中，其32位寄存器EAX、EBX、ECX和EDX不只可傳送數據、暫存數據保存算術邏輯運算結果，

並且也可做爲指針寄存器，因此，這些32位寄存器更具備通用性。

二、變址寄存器

32位CPU有2個32位通用寄存器ESI和EDI。

其低16位對應先前CPU中的SI和DI，對低16位數據的存取，不影響高16位的數據。

寄存器ESI、EDI、SI和DI稱爲變址寄存器(Index Register)，它們主要用於存放存儲單元在段內的偏移量，

用它們可實現多種存儲器操做數的尋址方式，爲以不一樣的地址形式訪問存儲單元提供方便。

變址寄存器不可分割成8位寄存器。做爲通用寄存器，也可存儲算術邏輯運算的操做數和運算結果。

它們可做通常的存儲器指針使用。在字符串操做指令的執行過程當中，對它們有特定的要求，並且還具備特殊的功能。

三、指針寄存器

其低16位對應先前CPU中的BP和SP，對低16位數據的存取，不影響高16位的數據。

32位CPU有2個32位通用寄存器EBP和ESP。

它們主要用於訪問堆棧內的存儲單元，而且規定：

EBP爲基指針(Base Pointer)寄存器，用它可直接存取堆棧中的數據；

ESP爲堆棧指針(Stack Pointer)寄存器，用它只可訪問棧頂。

寄存器EBP、ESP、BP和SP稱爲指針寄存器(Pointer Register)，主要用於存放堆棧內存儲單元的偏移量，

用它們可實現多種存儲器操做數的尋址方式，爲以不一樣的地址形式訪問存儲單元提供方便。

指針寄存器不可分割成8位寄存器。做爲通用寄存器，也可存儲算術邏輯運算的操做數和運算結果。

四、段寄存器

段寄存器是根據內存分段的管理模式而設置的。內存單元的物理地址由段寄存器的值和一個偏移量組合而成的，這樣可用兩個較少位數的值組合成一個可訪問較大物理空間的內存地址。

CPU內部的段寄存器：

ECS——代碼段寄存器(Code Segment Register)，其值爲代碼段的段值；

EDS——數據段寄存器(Data Segment Register)，其值爲數據段的段值；

EES——附加段寄存器(Extra Segment Register)，其值爲附加數據段的段值；

ESS——堆棧段寄存器(Stack Segment Register)，其值爲堆棧段的段值；

EFS——附加段寄存器(Extra Segment Register)，其值爲附加數據段的段值；

EGS——附加段寄存器(Extra Segment Register)，其值爲附加數據段的段值。

在16位CPU系統中，它只有4個段寄存器，因此，程序在任什麼時候刻至多有4個正在使用的段可直接訪問；在32位微機系統中，它有6個段寄存器，因此，在此環境下開發的程序最多可同時訪問6個段。

32位CPU有兩個不一樣的工做方式：實方式和保護方式。在每種方式下，段寄存器的做用是不一樣的。有關規定簡單描述以下：

實方式：前4個段寄存器CS、DS、ES和SS與先前CPU中的所對應的段寄存器的含義徹底一致，內存單元的邏輯地址仍爲「段值：偏移量」的形式。爲訪問某內存段內的數據，必須使用該段寄存器和存儲單元的偏移量。

保護方式：在此方式下，狀況要複雜得多，裝入段寄存器的再也不是段值，而是稱爲「選擇子」(Selector)的某個值。。

五、指令指針寄存器

32位CPU把指令指針擴展到32位，並記做EIP，EIP的低16位與先前CPU中的IP做用相同。

指令指針EIP、IP(Instruction Pointer)是存放下次將要執行的指令在代碼段的偏移量。

在具備預取指令功能的系統中，下次要執行的指令一般已被預取到指令隊列中，除非發生轉移狀況。

因此，在理解它們的功能時，不考慮存在指令隊列的狀況。

六、標誌寄存器

1、運算結果標誌位

一、進位標誌CF(Carry Flag)

進位標誌CF主要用來反映運算是否產生進位或借位。若是運算結果的最高位產生了一個進位或借位，那麼，其值爲1，不然其值爲0。

使用該標誌位的狀況有：多字(字節)數的加減運算，無符號數的大小比較運算，移位操做，字(字節)之間移位，專門改變CF值的指令等。

二、奇偶標誌PF(Parity Flag)

奇偶標誌PF用於反映運算結果中「1」的個數的奇偶性。若是「1」的個數爲偶數，則PF的值爲1，不然其值爲0。

利用PF可進行奇偶校驗檢查，或產生奇偶校驗位。在數據傳送過程當中，爲了提供傳送的可靠性，若是採用奇偶校驗的方法，就可以使用該標誌位。

三、輔助進位標誌AF(Auxiliary Carry Flag)

在發生下列狀況時，輔助進位標誌AF的值被置爲1，不然其值爲0：

(1)、在字操做時，發生低字節向高字節進位或借位時；

(2)、在字節操做時，發生低4位向高4位進位或借位時。

對以上6個運算結果標誌位，在通常編程狀況下，標誌位CF、ZF、SF和OF的使用頻率較高，而標誌位PF和AF的使用頻率較低。

四、零標誌ZF(Zero Flag)

零標誌ZF用來反映運算結果是否爲0。若是運算結果爲0，則其值爲1，不然其值爲0。在判斷運算結果是否爲0時，可以使用此標誌位。

五、符號標誌SF(Sign Flag)

符號標誌SF用來反映運算結果的符號位，它與運算結果的最高位相同。在微機系統中，有符號數採用碼錶示法，因此，SF也就反映運算結果的正負號。運算結果爲正數時，SF的值爲0，不然其值爲1。

六、溢出標誌OF(Overflow Flag)

溢出標誌OF用於反映有符號數加減運算所得結果是否溢出。若是運算結果超過當前運算位數所能表示的範圍，則稱爲溢出，OF的值被置爲1，不然，OF的值被清爲0。

「溢出」和「進位」是兩個不一樣含義的概念，不要混淆。若是不太清楚的話，請查閱《計算機組成原理》課程中的有關章節。

2、狀態控制標誌位

狀態控制標誌位是用來控制CPU操做的，它們要經過專門的指令才能使之發生改變。

一、追蹤標誌TF(Trap Flag)

當追蹤標誌TF被置爲1時，CPU進入單步執行方式，即每執行一條指令，產生一個單步中斷請求。這種方式主要用於程序的調試。

指令系統中沒有專門的指令來改變標誌位TF的值，但程序員可用其它辦法來改變其值。

二、中斷容許標誌IF(Interrupt-enable Flag)

中斷容許標誌IF是用來決定CPU是否響應CPU外部的可屏蔽中斷髮出的中斷請求。

但無論該標誌爲什麼值，CPU都必須響應CPU外部的不可屏蔽中斷所發出的中斷請求，以及CPU內部產生的中斷請求。

具體規定以下：

(1)、當IF=1時，CPU能夠響應CPU外部的可屏蔽中斷髮出的中斷請求；

(2)、當IF=0時，CPU不響應CPU外部的可屏蔽中斷髮出的中斷請求。

CPU的指令系統中也有專門的指令來改變標誌位IF的值。

三、方向標誌DF(Direction Flag)

方向標誌DF用來決定在串操做指令執行時有關指針寄存器發生調整的方向。具體規定在第5.2.11節——字符串操做指令——中給出。

在微機的指令系統中，還提供了專門的指令來改變標誌位DF的值。

3、32位標誌寄存器增長的標誌位

一、I/O特權標誌IOPL(I/O Privilege Level)

I/O特權標誌用兩位二進制位來表示，也稱爲I/O特權級字段。該字段指定了要求執行I/O指令的特權級。

若是當前的特權級別在數值上小於等於IOPL的值，那麼，該I/O指令可執行，不然將發生一個保護異常。

二、嵌套任務標誌NT(Nested Task)

嵌套任務標誌NT用來控制中斷返回指令IRET的執行。具體規定以下：

(1)、當NT=0，用堆棧中保存的值恢復EFLAGS、CS和EIP，執行常規的中斷返回操做；

(2)、當NT=1，經過任務轉換實現中斷返回。

三、重啓動標誌RF(Restart Flag)

重啓動標誌RF用來控制是否接受調試故障。規定：RF=0時，表示「接受」調試故障，不然拒絕之。

在成功執行完一條指令後，處理機把RF置爲0，當接受到一個非調試故障時，處理機就把它置爲1。

四、虛擬8086方式標誌VM(Virtual 8086 Mode)

若是該標誌的值爲1，則表示處理機處於虛擬的8086方式下的工做狀態，不然，處理機處於通常保護方式下的工做狀態。

2. 存儲器

分類:

主存儲器:　　也稱內存,存儲直接與CPU交換信息,由半導體存儲器組成
輔助存儲器:　　也稱外存,存放當前不當即使用的信息,它與主存儲器批量交換信息,由磁帶機,磁帶盤及光盤組成

存儲層次:

內存與外存的比較:

　　　　　　主存　　　　　　　　　　　輔存　　　　　　　　　　　　

類型　　　　ROM　　　　RAM　　　　　軟盤　　　硬盤　　　光盤　　

造價　　　　高　　　　高　　　　　　　低++　　　低　　　　　低+

速度　　　　快　　　　　快　　　　　　　慢++　　　慢　　　　慢+

容量　　　小+　　　　小　　　　　　　 —　　　　　—　　　　　 —

斷電　　　有　　　　　無　　　　　　　有　　　　　有　　　　　有

　　寄存器即L1緩存：

用與cpu相同材質製造，與cpu同樣快，於是cpu訪問它無時延，典型容量是：在32位cpu中爲32*32，在64位cpu中爲64*64，在兩種狀況下容量均<1KB。

　　高速緩存即L2緩存：

主要由硬件控制高速緩存的存取，內存中有高速緩存行按照0~64字節爲行0，64~127爲行1。。。最經常使用的高速緩存行放置在cpu內部或者很是接近cpu的高速緩存中。當某個程序須要讀一個存儲字時，高速緩存硬件檢查所須要的高速緩存行是否在高速緩存中。若是是，則稱爲高速緩存命中，緩存知足了請求，就不須要經過總線把訪問請求送往主存(內存)，這畢竟是慢的。高速緩存的命中一般須要兩個時鐘週期。高速緩存爲命中，就必須訪問內存，這須要付出大量的時間代價。因爲高速緩存價格昂貴，因此其大小有限，有些機器具備兩級甚至三級高速緩存，每一級高速緩存比前一級慢可是容易大。

　　緩存在計算機科學的許多領域中起着重要的做用，並不只僅只是RAM（隨機存取存儲器）的緩存行。只要存在大量的資源能夠劃分爲小的部分，那麼這些資源中的某些部分確定會比其餘部分更頻發地獲得使用，此時用緩存能夠帶來性能上的提高。一個典型的例子就是操做系統一直在使用緩存，好比，多數操做系統在內存中保留頻繁使用的文件（的一部分），以免從磁盤中重複地調用這些文件，相似的/root/a/b/c/d/e/f/a.txt的長路徑名轉換成該文件所在的磁盤地址的結果真後放入緩存，能夠避免重複尋找地址，還有一個web頁面的url地址轉換爲網絡地址(IP)地址後，這個轉換結果也能夠緩存起來供未來使用。緩存是一個好方法，在現代cpu中設計了兩個緩存，再看4.1中的兩種cpu設計圖。第一級緩存稱爲L1老是在CPU中，一般用來將已經解碼的指令調入cpu的執行引擎，對那些頻繁使用的數據自，多少芯片還會按照第二L1緩存。。。另外每每設計有二級緩存L2，用來存放近來常用的內存字。L1與L2的差異在於對cpu對L1的訪問無時間延遲，而對L2的訪問則有1-2個時鐘週期（即1-2ns）的延遲。

　　內存：

　　再往下一層是主存，此乃存儲器系統的主力，主存一般稱爲隨機訪問存儲RAM，就是咱們一般所說的內存，容量一直在不斷攀升，全部不能再高速緩存中找到的，都會到主存中找，主存是易失性存儲，斷電後數據所有消失.

　　除了主存RAM以外，許多計算機已經在使用少許的非易失性隨機訪問存儲如ROM（Read Only Memory，ROM），在電源切斷以後，非易失性存儲的內容並不會丟失，ROM只讀存儲器在工廠中就被編程完畢，而後不再能修改。ROM速度快且便宜，在有些計算機中，用於啓動計算機的引導加載模塊就存放在ROM中，另一些I/O卡也採用ROM處理底層設備的控制。

　　EEPROM（Electrically Erasable PROM，電可擦除可編程ROM）和閃存（flash memory）也是非易失性的，可是與ROM相反，他們能夠擦除和重寫。不太重寫時花費的時間比寫入RAM要多。在便攜式電子設備中中，閃存一般做爲存儲媒介。閃存是數碼相機中的膠捲，是便攜式音譯播放器的磁盤，還應用於固態硬盤。閃存在速度上介於RAM和磁盤之間，但與磁盤不一樣的是，閃存擦除的次數過多，就被磨損了。

　　還有一類存儲器就是CMOS，它是易失性的，許多計算機利用CMOS存儲器來保持當前時間和日期。CMOS存儲器和遞增時間的電路由一小塊電池驅動，因此，即便計算機沒有加電，時間也仍然能夠正確地更新，除此以外CMOS還能夠保存配置的參數，好比，哪個是啓動磁盤等，之因此採用CMOS是由於它耗電很是少，一塊工廠原裝電池每每能使用若干年，可是當電池失效時，相關的配置和時間等都將丟失

輔存(硬盤)

說明:　　是以鋁合金圓盤爲基片,上下兩面塗有磁性材料而製成的磁盤

優勢:　　體積小,重量輕,防塵性好,可靠性高,存儲量大,存取速度快,但多數它們固定於主機箱內,故不便攜帶,價格也高於軟盤

性能指標:　　轉速,超頻性能,緩存,單碟容量,傳輸模式,發熱量,容量,平均等待時間

硬盤組成圖:

注意:

在整顆磁碟的第一個磁區特別的重要,由於他記錄了整顆磁碟的重要資訊！磁碟的第一個磁區主要記錄了兩個重要的資訊,分別是：

主要啓動記錄區(Master Boot Record, MBR)：能夠安裝啓動管理程序的地方,有446 bytes
<MBR是很重要的,由於當系統在啓動的時候會主動去讀取這個區塊的內容,這樣系統纔會知道你的程序放在哪裏且該如何進行啓動>
分割表(partition table)：記錄整顆硬盤分割的狀態,有64 bytes

磁盤分區表(partition table):

利用參考對照磁柱號碼的方式來切割硬盤分區！在分割表所在的64 bytes容量中,總共分爲四組記錄區,每組記錄區記錄了該區段的啓始與結束的磁柱號碼. 若將硬盤以長條形來看,而後將磁柱以直條圖來看,那麼那64 bytes的記錄區段有點像底下的圖示：

上圖中咱們假設硬盤只有400個磁柱,共分割成爲四個分割槽,第四個分割槽所在爲第301到400號磁柱的範圍.

由於分割表就只有64 bytes而已,最多隻能容納四筆分割的記錄, 這四個分割的記錄被稱爲主要(Primary)或延伸(Extended)分割槽. 根據上面的圖示與說明,咱們能夠獲得幾個重點資訊：

其實所謂的『分割』只是針對那個64 bytes的分割表進行配置而已！
硬盤默認的分割表僅能寫入四組分割資訊<主要分割與擴展分配最多能夠有四條(硬盤的限制)>
這四組分割資訊咱們稱爲主要(Primary)或延伸(Extended)分割槽
擴展分配最多隻能有一個(操做系統的限制)
邏輯分割是由擴展分配持續切割出來的分割槽,若是擴展分配被破壞,全部邏輯分割將會被刪除
可以被格式化後,做爲數據存取的分割槽爲主要分割與邏輯分割.擴展分配沒法格式化
分割槽的最小單位爲磁柱(cylinder)
邏輯分割的數量依操做系統而不一樣,在Linux系統中,IDE硬盤最多有59個邏輯分割(5號到63號), SATA硬盤則有11個邏輯分割(5號到15號)
當系統要寫入磁碟時,必定會參考磁盤分區表,才能針對某個分割槽進行數據的處理

總結:

扇區(Sector)爲最小的物理儲存單位，每一個扇區爲 512 bytes；
將扇區組成一個圓，那就是磁柱(Cylinder)，磁柱是分割槽(partition)的最小單位；
第一個扇區最重要，裏面有：(1)主要啓動區(Master boot record, MBR)及分割表(partition table)，其中 MBR 佔有 446 bytes，而 partition table 則佔有 64 bytes。

虛擬內存：

許多計算機支持虛擬內存機制，該機制使計算機能夠運行大於物理內存的程序，方法是將正在使用的程序放入內存取執行，而暫時不須要執行的程序放到磁盤的某塊地方，這塊地方成爲虛擬內存，在linux中成爲swap，這種機制的核心在於快速地映射內存地址，由cpu中的一個部件負責，成爲存儲器管理單元(Memory Management Unit MMU)

PS：從一個程序切換到另一個程序，成爲上下文切換(context switch),緩存和MMU的出現提高了系統的性能，尤爲是上下文切換

磁帶：在價錢相同的狀況下比硬盤擁有更高的存儲容量，雖然速度低於磁盤，可是因其大容量，在地震水災火災時可移動性強等特性，常被用來作備份。（常見於大型數據庫系統中）

內核態用戶態

內核態: CPU能夠訪問內存全部數據, 包括外圍設備, 例如硬盤, 網卡. CPU也能夠將本身從一個程序切換到另外一個程序

用戶態: 只能受限的訪問內存, 且不容許訪問外圍設備. 佔用CPU的能力被剝奪, CPU資源能夠被其餘程序獲取

爲何要有用戶態和內核態

因爲須要限制不一樣的程序之間的訪問能力, 防止他們獲取別的程序的內存數據, 或者獲取外圍設備的數據, 併發送到網絡, CPU劃分出兩個權限等級 -- 用戶態 和 內核態

用戶態與內核態的切換

全部用戶程序都是運行在用戶態的, 可是有時候程序確實須要作一些內核態的事情, 例如從硬盤讀取數據, 或者從鍵盤獲取輸入等. 而惟一能夠作這些事情的就是操做系統, 因此此時程序就須要先操做系統請求以程序的名義來執行這些操做.

這時須要一個這樣的機制: 用戶態程序切換到內核態, 可是不能控制在內核態中執行的指令

這種機制叫系統調用, 在CPU中的實現稱之爲陷阱指令(Trap Instruction)

他們的工做流程以下:

用戶態程序將一些數據值放在寄存器中, 或者使用參數建立一個堆棧(stack frame), 以此代表須要操做系統提供的服務.
用戶態程序執行陷阱指令
CPU切換到內核態, 並跳到位於內存指定位置的指令, 這些指令是操做系統的一部分, 他們具備內存保護, 不可被用戶態程序訪問
這些指令稱之爲陷阱(trap)或者系統調用處理器(system call handler). 他們會讀取程序放入內存的數據參數, 並執行程序請求的服務
系統調用完成後, 操做系統會重置CPU爲用戶態並返回系統調用的結果

總線

任何一個微處理器都要與必定數量的部件和外圍設備鏈接，但若是將各部件和每一種外圍設備都分別用一組線路與CPU直接鏈接，那麼連線將會錯綜複雜，甚至難以實現。爲了簡化硬件電路設計、簡化系統結構，經常使用一組線路，配置以適當的接口電路，與各部件和外圍設備鏈接，這組共用的鏈接線路被稱爲總線。採用總線結構便於部件和設備的擴充，尤爲制定了統一的總線標準則容易使不一樣設備間實現互連。
----微機中總線通常有內部總線、系統總線和外部總線。內部總線是微機內部各外圍芯片與處理器之間的總線，用於芯片一級的互連；而系統總線是微機中各插件板與系統板之間的總線，用於插件板一級的互連；外部總線則是微機和外部設備之間的總線，微機做爲一種設備，經過該總線和其餘設備進行信息與數據交換，它用於設備一級的互連。
----另外，從廣義上說，計算機通訊方式能夠分爲並行通訊和串行通訊，相應的通訊總線被稱爲並行總線和串行總線。並行通訊速度快、實時性好，但因爲佔用的口線多，不適於小型化產品；而串行通訊速率雖低，但在數據通訊吞吐量不是很大的微處理電路中則顯得更加簡易、方便、靈活。串行通訊通常可分爲異步模式和同步模式。

計算機的啓動

計算機的整個啓動過程分紅四個階段。

1、第一階段：BIOS

上個世紀70年代初，」只讀內存」（read-only memory，縮寫爲ROM）發明，開機程序被刷入ROM芯片，計算機通電後，第一件事就是讀取它。

這塊芯片裏的程序叫作」基本輸出輸入系統」（Basic Input/Output System），簡稱爲BIOS。

1.1 硬件自檢

BIOS中主要存放的程序包括：自診斷程序（經過讀取CMOS RAM中的內容識別硬件配置，並對其進行自檢和初始化）、CMOS設置程序（引導過程當中，經過特殊熱鍵啓動，進行設置後，存入CMOS RAM中）、系統自動裝載程序（在系統自檢成功後，將磁盤相對0道0扇區上的引導程序裝入內存使其運行）和主要I/O驅動程序和中斷服務（BIOS和硬件直接打交道，須要加載I/O驅動程序）。

BIOS程序首先檢查，計算機硬件可否知足運行的基本條件，這叫作」硬件自檢」（Power-On Self-Test），縮寫爲POST。

若是硬件出現問題，主板會發出不一樣含義的蜂鳴，啓動停止。若是沒有問題，屏幕就會顯示出CPU、內存、硬盤等信息。

1.2 啓動順序

硬件自檢完成後，BIOS把控制權轉交給下一階段的啓動程序。

這時，BIOS須要知道，」下一階段的啓動程序」具體存放在哪個設備。也就是說，BIOS須要有一個外部儲存設備的排序，排在前面的設備就是優先轉交控制權的設備。這種排序叫作」啓動順序」（Boot Sequence）。

打開BIOS的操做界面，裏面有一項就是」設定啓動順序」。

2、第二階段：主引導記錄

BIOS按照」啓動順序」，把控制權轉交給排在第一位的儲存設備。即根據用戶指定的引導順序從軟盤、硬盤或是可移動設備中讀取啓動設備的MBR，並放入指定的位置（0x7c000）內存中。

這時，計算機讀取該設備的第一個扇區，也就是讀取最前面的512個字節。若是這512個字節的最後兩個字節是0x55和0xAA，代表這個設備能夠用於啓動；若是不是，代表設備不能用於啓動，控制權因而被轉交給」啓動順序」中的下一個設備。

這最前面的512個字節，就叫作」主引導記錄」（Master boot record，縮寫爲MBR）。

2.1 主引導記錄的結構

「主引導記錄」只有512個字節，放不了太多東西。它的主要做用是，告訴計算機到硬盤的哪個位置去找操做系統。

主引導記錄由三個部分組成：

（1） 第1-446字節：調用操做系統的機器碼。
（2） 第447-510字節：分區表（Partition table）。
（3） 第511-512字節：主引導記錄簽名（0x55和0xAA）。

其中，第二部分」分區表」的做用，是將硬盤分紅若干個區。

2.2 分區表

硬盤分區有不少好處。考慮到每一個區能夠安裝不一樣的操做系統，」主引導記錄」所以必須知道將控制權轉交給哪一個區。

分區表的長度只有64個字節，裏面又分紅四項，每項16個字節。因此，一個硬盤最多隻能分四個一級分區，又叫作」主分區」。

每一個主分區的16個字節，由6個部分組成：

（1） 第1個字節：若是爲0x80，就表示該主分區是激活分區，控制權要轉交給這個分區。四個主分區裏面只能有一個是激活的。
（2） 第2-4個字節：主分區第一個扇區的物理位置（柱面、磁頭、扇區號等等）。
（3） 第5個字節：主分區類型。
（4） 第6-8個字節：主分區最後一個扇區的物理位置。
（5） 第9-12字節：該主分區第一個扇區的邏輯地址。
（6） 第13-16字節：主分區的扇區總數。

最後的四個字節（」主分區的扇區總數」），決定了這個主分區的長度。也就是說，一個主分區的扇區總數最多不超過2的32次方。

若是每一個扇區爲512個字節，就意味着單個分區最大不超過2TB。再考慮到扇區的邏輯地址也是32位，因此單個硬盤可利用的空間最大也不超過2TB。若是想使用更大的硬盤，只有2個方法：一是提升每一個扇區的字節數，二是增長扇區總數。

3、第三階段：硬盤啓動

這時，計算機的控制權就要轉交給硬盤的某個分區了，這裏又分紅三種狀況。

3.1 狀況A：卷引導記錄

上一節提到，四個主分區裏面，只有一個是激活的。計算機會讀取激活分區的第一個扇區，叫作」卷引導記錄」（Volume boot record，縮寫爲VBR）。

「卷引導記錄」的主要做用是，告訴計算機，操做系統在這個分區裏的位置。而後，計算機就會加載操做系統了。

3.2 狀況B：擴展分區和邏輯分區

隨着硬盤愈來愈大，四個主分區已經不夠了，須要更多的分區。可是，分區表只有四項，所以規定有且僅有一個區能夠被定義成」擴展分區」（Extended partition）。

所謂」擴展分區」，就是指這個區裏面又分紅多個區。這種分區裏面的分區，就叫作」邏輯分區」（logical partition）。

計算機先讀取擴展分區的第一個扇區，叫作」擴展引導記錄」（Extended boot record，縮寫爲EBR）。它裏面也包含一張64字節的分區表，可是最多隻有兩項（也就是兩個邏輯分區）。

計算機接着讀取第二個邏輯分區的第一個扇區，再從裏面的分區表中找到第三個邏輯分區的位置，以此類推，直到某個邏輯分區的分區表只包含它自身爲止（即只有一個分區項）。所以，擴展分區能夠包含無數個邏輯分區。

可是，彷佛不多經過這種方式啓動操做系統。若是操做系統確實安裝在擴展分區，通常採用下一種方式啓動。

3.3 狀況C：啓動管理器

在這種狀況下，計算機讀取」主引導記錄」前面446字節的機器碼以後，再也不把控制權轉交給某一個分區，而是運行事先安裝的」啓動管理器」（boot loader），由用戶選擇啓動哪個操做系統。

Linux環境中，目前最流行的啓動管理器是Grub。

對於grub而言，在MBR中的446字節的引導程序屬於GRUB的開始執行程序，經過這段程序，進一步執行stage1.5或是stage2的執行程序，將在下面詳細介紹執行過程。

其中stage1.5或是stage2便屬於階段2引導的過程了，stage2過程也是做爲GRUB kernel的核心代碼出現。Stage1.5過程（對於GRUB而言存在stage1.5，GRUB2則不存在）的功能很單一，主要就是爲了引導stage2過程服務。因爲stage2過程的代碼存放在文件系統下的boot分區目錄中，所以stage1.5過程就是須要提供一個文件系統的環境，而該文件系統環境須要保證系統能夠找到stage2過程的文件，那麼stage1.5階段提供的文件系統須要是boot文件系統所對應的，這個在執行grub install過程當中就已經肯定了。stage2過程當中，主要會把系統切換到保護模式，設置好C運行時環境，找到config文件（事實上就是menulist文件），若是沒有找到就執行一個shell，等待用戶的執行。而後的工做就變成了輸入命令->解析命令->執行命令的循環中。固然該階段引導的最終狀態就是執行boot命令，將內核和initrd鏡像加載進入內存中，進而將控制權轉交給內核。