计算机基础--硬件重要知识小结

Posted 2022-06-05 blog-tim

1  计算机硬件介绍

1.1  现代计算机结构体系及组成部分

• 冯诺依曼结构体系，也就是现在计算机的组成结构

• 计算机硬件的5个主要部分（运算器，控制器，存储器，输入设备，输出设备）

• 计算机各组成部件通过总线（bus）链接通信

2  重要组成部件详细介绍

2.1  CPU

   运算器+控制器=CPU中央处理器，其工作周期为 取指-解码-执行（n+1，n+2，...流水线），内部结构大致如下：

  CPU+I/O+主存储器+外部存储，之间的联系特性如下：

2.1.1  CPU指令集分类

所有软件都要经过CPU内部的微指令集处理来完成，根据设计指令集的不同，分为以下2类：

1. 精简指令集类CPU：ARM架构CPU，Sun公司生产的SPARC架构CPU
2. 复杂指令集类CPU：AMD，Intel 生产的CPU

Windows下查看Intel指令集：使用CPU-Z软件

2.1.2  内核态和用户态

1. 除了嵌入式系统，多数CPU都有两种工作模式：内核态和用户态。这两种工作模式是由PSW寄存器（程序状态寄存器）上的一个二进制位来控制的。
2. 内核态的CPU，可以执行指令集中的所有指令，并使用硬件的所有功能。
3. 用户态的CPU，只允许执行指令集中的部分指令。一般而言，IO相关和把内存保护相关的所有执行在用户态下都是被禁止的，此外其它一些特权指令也是被禁止的，比如用户态下不能将PSW的模式设置控制位设置成内核态。
4. 用户态CPU想要执行特权操作，需要发起系统调用来请求内核帮忙完成对应的操作。其实是在发起系统调用后，CPU会执行trap指令陷入(trap)到内核。当特权操作完成后，需要执行一个指令让CPU返回到用户态。
5. 除了系统调用会陷入内核，更多的是硬件会引起trap行为陷入内核，使得CPU控制权可以回到操作系统，以便操作系统去决定如何处理硬件异常。

 

2.1.3  CPU的多核和多线程

1. CPU的物理个数由主板上的插槽数量决定，每个CPU可以有多核心，每核心可能会有多线程。
2. 多核CPU的每核(每核都是一个小芯片)，在OS看来都是一个独立的CPU。
3. 对于超线程CPU来说，每核CPU可以有多个线程(数量是两个，比如1核双线程，2核4线程，4核8线程)，每个线程都是一个虚拟的逻辑CPU(比如windows下是以逻辑处理器的名称称呼的)，而每个线程在OS看来也是独立的CPU。
4. 要发挥超线程优势，需要操作系统对超线程有专门的优化。
5. 多线程的CPU在能力上，比非多线程的CPU核心要更强，但每个线程不足以与独立的CPU核心能力相比较。
6. 每核上的多线程CPU都共享该核的CPU资源
7. 多线程意味着每核可以有多个线程的状态。比如某核的线程1空闲，线程2运行。
8. 多线程没有提供真正意义上的并行处理，每核CPU在某一时刻仍然只能运行一个进程，因为线程1和线程2是共享某核CPU资源的。可以简单的认为每核CPU在独立执行进程的能力上，有一个资源是唯一的，线程1获取了该资源，线程2就没法获取。（但是，线程1和线程2在很多方面上是可以并行执行的。比如可以并行取指、并行解码、并行执行指令等。所以虽然单核在同一时间只能执行一个进程，但线程1和线程2可以互相帮助，加速进程的执行。
   并且，如果线程1在某一时刻获取了该核执行进程的能力，假设此刻该进程发出了IO请求，于是线程1掌握的执行进程的能力，就可以被线程2获取，即切换到线程2。这是在执行线程间的切换，是非常轻量级的）
9. 多线程可能会出现一种现象：假如2核4线程CPU，有两个进程要被调度，那么只有两个线程会处于运行状态，如果这两个线程是在同一核上，则另一核完全空转，处于浪费状态。更期望的结果是每核上都有一个CPU分别调度这两个进程。

2.1.4  CPU上的高速缓存

   1.用与cpu相同材质制造，与cpu一样快，因而cpu访问它无时延，容量小，造价高，通常小于1kb

　　32bit：32*32比特=128字节

　　64bit：64*64比特=512字节

   2.寄存器之下，是CPU的高速缓存。分为L1缓存、L2缓存、L3缓存，每层速度按数量级递减、容量也越来越大。

   3.每核心都有一个自己的L1缓存。L1缓存分两种：L1指令缓存(L1-icache)和L1数据缓存(L1-dcache)。L1指令缓存用来存放已解码指令，L1数据缓存用来放访问非常频繁的数据。

   4.L2缓存用来存放近期使用过的内存数据。更严格地说，存放的是很可能将来会被CPU使用的数据。

   5.多数多核CPU的各核都各自拥有一个L2缓存，但也有多核共享L2缓存的设计。无论如何，L1是各核私有的(但对某核内的多线程是共享的)。

2.2  存储器--内存

   内存又叫主存，即RAM易失性存储，断电后数据全部消失

   计算机存储单位换算：字节（1字节=8位二进制，即1Bytes=8bit）

8bit=1Bytes
1024Bytes=1KB
1024KB=1MB
1024MB=1GB
1024GB=1TB
1024TB=1PB
1024PB=1EB
1GB=1000*1000*1000*8

2.3  硬盘

   磁盘的内部结构：

   与磁盘相关的术语：

disk	磁盘
heads	磁头。Linux系统中查看到的heads一般包括很多虚拟磁头，实际的物理磁盘的一块盘片上下两面一面一磁头，即2个磁头。
sectors	扇区。一磁道上划分多个扇形区域，一般默认一扇区512字节。
track	磁道。盘片上一圈算一磁道。
cylinders	柱面。所有盘片的同一半径的磁道组成一柱面。柱面数=盘片数*盘片上的磁道数。
units	单元块。大小等于一个柱面大小。

 

   磁盘或分区大小计算方法：

　　磁盘大小=units×柱面数(cylinders)

　　磁盘大小=磁头数(heads)×每磁道上的扇区数(sectors)×512×柱面数(cylinders)

2.4  总线