計算機硬件

計算機硬件

 計算機的基本結構

 

 

 

底層硬件、操做系統、用戶程序（軟件）

• 操做系統Operating System（OS）是管理和控制計算機硬件和軟件資源的計算機程序，是直接運行在裸機上最基本的系統軟件，任何其餘軟件都必須在操做系統的支持下才能運行。
• 軟件必須運行在操做系統之上

1. 若是沒有操做系統，那麼程序員就必須掌握如何操做硬件的全部具體細節，嚴重影響了開發效率。
2. 操做系統運行於硬件之上，用來控制硬件。
3. 在開發的時候，只須要調用操做系統爲應用程序提供的方便的抽象接口便可。

一套完整的計算機系統

• 應用軟件

1. 控制操做系統（最終仍是控制了底層的硬件）
2. 必須遵循操做系統提供的標準
3. 最終都是交由底層硬件來執行

• 操做系統（windows、linux）

1. 控制全部硬件
2. 操做系統自己也是一種軟件
3. 若是沒有操做系統，在編寫應用軟件的時候就須要同時把那些可以控制對應硬件的程序，這樣致使很是麻煩和低效

• 底層硬件（CPU、內存、硬盤）

計算機硬件 

• CPU、內存以及IO設備都有一條總線鏈接起來並經過與其餘設備通訊

1. CPU是人的大腦，負責運算
2. 內存是人的記憶
3. 硬盤是人的筆記本，負責永久存儲
4. 輸入設備是耳朵和眼睛，負責接受外部信息來傳遞給CPU
5. 輸出設備是表情，負責輸出通過處理後的結果
6. 以上設備都是經過總線鏈接，總線至關於人的神經

CPU

• 每個CPU都有一套可執行的專門指令集，任何軟件的執行最終都要轉化成CPU能識別的指令去執行，其中包含操做其餘硬件的命令
• 應用被CPU執行的過程

1. 從存儲介質中取出指令 ——> 解碼 ——> 執行（周而復始，直到整個程序被執行完成）

• 寄存器（最快的一種存儲設備）

1. 用來保存關鍵變量和臨時數據
2. 存取速度和CPU幾乎相同（與CPU相同材質製造，CPU訪問它無時延），訪問內存並獲取指令或數據所須要花費的時間遠長與CPU執行命令花費的時間
3. 程序狀態字寄存器PSW
   • 包含CPU的優先級、模式（內核態、用戶態）、條碼位（由比較指令設置）以及其餘控制位
   • 在系統調用中，程序狀態字寄存器很是重要。

• CPU指令集中的命令能夠成兩個部分

1. 算術運算和邏輯運算指令
2. 操做其餘計算機硬件的指令

對於操做系統而言，其指令被CPU轉換成操做其餘硬件的指令；但對於用戶的應用軟件而言，其指令被CPU轉換成算術運算和邏輯運算這類計算指令

 

• 內核態與用戶態（CPU運行的兩種狀態）

1. 內核態：操做系統被CPU執行的狀態
2. 用戶態：應用程序被CPU執行的狀態
3. 二者區別？

• • 處於內核態的CPU執行的是操做系統，能夠控制硬件，此狀態下能夠獲取CPU的全部指令集（包括控制其餘硬件的指令集）
  • 處於用戶態的CPU執行的是玉壺軟件，不能夠操做硬件，並且只能獲取CPU指令集的一個子集，該子集中不包括操做硬件的指令集
• 內核態與用戶態的互換

1. 應用程序想要控制底層硬件，就須要將CPU所處的用戶態轉換成內核態，當應用程序操做完硬件以後，再切換回內核態來繼續運行應用程序
2. 用戶態下工做的軟件不能操做硬件，可是有些軟件好比暴風影音，必定會由操做硬件的需求，好比從磁盤上讀取一個電影文件，那就必須經歷從用戶態切換到內核態的過程。所以，用戶程序必須使用系統調用（system call ），系統調用會先入內核並調用操做系統，CPU的狀態從用戶態切換到內核態，並啓用操做系統而會的服務。

• 多線程與多核芯片

1. 一個CPU中的處理邏輯增多，稱爲多線程。對於用戶來講每個擁有兩線程的CPU就至關於兩個CPU。（進程是資源單位，而線程纔是CPU的執行單位）
2. 一個物理CPU中能夠模擬出多個虛擬的CPU來工做
3. 一個計算機上能夠同時有多個物理級別的CPU

存儲器

• 高速緩存L2 

1. 內存中有高速緩存行按照064字節爲行0，64127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
2. 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。

　　　　　　　　　　圖5.3　　計算機的存儲器類型分類

 

•  內存 

1. 主存（隨機訪問存儲RAM，存儲器系統主力）
2. 易失性存儲，斷電後，保存的數據就消失了
3. 全部不能再高速緩存中找到的，都會到主存中找

• ROM（read only memory，非易失性隨機訪問存儲）

1. 在電源切斷以後，非易失性存儲的內容並不會丟失
2. ROM只讀存儲器在工廠中就被編程完畢，而後不再能修改
3. 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）

1. 非易失性
2. 能夠擦除和重寫(重寫花費時間比寫入RAM時間久)
3. 在便攜式電子設備中中，閃存一般做爲存儲媒介（固態硬盤）
4. 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2過多，就被磨損了

• CMOS存儲器 

1. 易失性存儲
2. CMOS能夠用來保存配置的參數，好比計算機啓動時其中就保存了啓動磁盤的配置信息

磁盤

• 磁頭：經過磁性原理讀取磁性介質上數據的部件（利用特殊材料的電阻值隨着磁場變化的原理來讀寫盤片上的數據）
• 磁道：磁盤旋轉時，磁頭在磁盤表面畫出的一個圓形軌跡
• 扇區：磁盤上的每個磁道被分爲若干個弧段，這些弧段就是磁盤的山區。磁盤的讀寫以扇區爲基本單位（512字節）
• 柱面：上下一串盤片中，相同半徑的刺刀所組成的一個圓柱形環壁。
• 數據都存放於一段段的扇區，從磁盤讀取一段數據須要經歷尋道時間和延遲時間
• 平均尋道時間：機械手臂從一個柱面隨機移動到相鄰柱面的時間就是尋道時間，找到了磁道就意味着磁頭找到了數據所在的磁道，可是此時還沒法確認數據具體在磁道上的扇區
• 磁盤調度算法

1. 1. FCFS　　先來先服務
   2. SSTF　　最短尋道時間優先
   3. SCAN　　不只考慮到欲訪問的磁道與當前磁道間的距離，更優先考慮的是磁頭當前的移動方向。
   4. CSCAN　磁頭單向移動，循環掃描
   5. NSepSCAN和FSCAN調度算法

• 平均延遲時間：機械手臂到達正確的磁道以後還必須等待旋轉到數據所在的扇區下，這段時間就是延遲時間

計算機的啓動

• 硬盤中，電腦啓動時，最終操做系統的代碼要給CPU去運行。也就是說，硬盤中操做系統的代碼首先會加載到內存，CPU讀取內存中操做系統的指令以後再執行。可是必須有一種機制明確的告訴計算機哪個硬盤是啓動盤，而這個機制就是BIOS程序（基本輸出輸出程序）。
• BIOS就至關於一個系統操做系統，它有底層的I/O軟件，包括讀鍵盤，寫屏幕，進行磁盤I/O。BIOS回到它對應的存儲設備CMOS存儲器中去讀取上次認爲配置的啓動盤位置，所以BIOS能夠肯定啓動盤是那一塊硬盤。

1. 計算機加電
2. BIOS開始運行，檢測硬件：CPU、內存、硬盤
3. BIOS讀取CMOS存儲器中的參數，選擇啓動設備（BIOS告訴啓動硬盤在哪兒）
4. 從啓動設備上讀取第一個扇區的內容（MBR主引導記錄512字節，前446爲引導信息，後64爲分區信息，最後兩個爲標誌位）
5. 根據MBR讀入grub（一種bootloader）以後找到內核，將內核代碼讀入內存，以後CPU加載代碼並運行，進而啓動操做系統
6. 操做系統詢問BIOS，獲取配置信息。對於每種設備，系統會檢查其設備驅動程序是否存在，若是沒有，系統則會要求用戶安裝設備驅動程序。一旦有了所有的設備驅動程序，操做系統就將它們調入內核，而後初始有關的表格（如進程表），建立須要的進程，並在每個終端上啓動登錄程序或GUI

用戶應用軟件的啓動

　　1.雙擊快捷方式

　　2.告訴操做系統一個文件路徑

　　3.操做系統從硬盤讀取文件到內存中

　　4.cpu從內存中讀取數據執行