1,计算机硬件

Posted 2020-09-03

计算机系统包括：应用软件，操作系统，硬件。

硬件系统主要包括五大部分：输入设备，输出设备，储存器，控制器，运算器。其中运算器负责算数运输和逻辑运算。运算器和控制器共同组成了中央处理器（cpu）

 

应用软件 并不能直接调用计算机的硬件，需要通过操作系统系统对计算机硬件进行调用。

 

1.处理器:

 

由于通过访问内存得到相应指令或数据的时间比cpu执行指令花费的时间长的多，所以，在cpu的内部存在寄存器，用来保存关键的变量和数据。

寄存器的分类：

    寄存器也是一个储存设备  缓存 指令集

    

    通用寄存器：保存关键的数据和变量。

    程序计数器： 把上一次程序运行没运行完的结果保存下来，然后去干另一件事，另一件事没干完再切回来的时候，把这个寄存器读取出来，继续接着执行。

 

    堆栈指针：堆栈先进先除，队列先进后出。

    程序状态寄存器（PSW）：就2个二进制位，一个0一个1，一个代表内核态，一个代表用户态。

 

   cpu的2种工作状态：内核态和用户态。内核态，cpu对操作系统完全放行，所以指令集都开放。用户态，针对应用程序来说，cpu会限制对硬件指令的操作。软件运行着的时候cpu处于用户态，一会需要操作硬件，需要切换到内核态，软件需要频繁进行切换，硬盘和内存的速度都太慢，这就需要和cpu同样材质的寄存器PSW。

 

     进程：资源单元

     线程：执行单元 

  进程之间相互独立，同一进程内的各个线程资源共享。

 

2.储存器:

 

1ns    寄存器     L1缓存（与cpu材质相同，因而cpu访问它无延时）

2ns   高速缓存   L2缓存 （如果高速缓存行在L2中，则称为高速缓存命中，如果高速缓存未命中，就必需访问内存）

10ns    内存      RAM（随机存取器）易失性储存，断电后全部消失。

10ms    磁盘 

100s     磁带       数据库备份

 

ROM 非易失性随机访问储存 在断电后 储存的内容 并不会丢失，ROM在出厂中被编辑完毕后，就不能再进行修改，具有只读性。

EEROM和闪存flash 也是非易失性的，可以反复擦写。闪存的速度介于RAM和磁盘之间，但与磁盘不同的是，擦除的次数过多，就会被磨损。

CMOS 易失性的，用来保持当前的日期和时间，还有bios的配置，COMS存储器由一小块电池驱动。

 

 

3.磁盘:

 

8个bit ＝ 1Bytes

1024Bytes ＝ 1KB 

1024KB ＝ 1MB

1024MB ＝ 1G

 

Bytes，KB，MB，GB 这些都是物理单元，一连串的二进制位成为bit位，是物理单元

 

 

每个磁头可以读取一段换新区域，称为磁道

每个磁道划成若干个扇区，扇区的典型值为512字节

8个扇区为一个block块，8x512字节 ＝ 4096字节 ＝ 4KB 块是硬盘储存的最小单位

 

 

数据都存放于一段一段的扇区，即磁道这个圆圈的一小段圆圈，从磁盘读取一段数据需要经历寻道时间和延迟时间

 

平均寻道时间：

 

机械手臂从一个柱面随机移动到相邻的柱面的时间成为寻到时间，找到了磁道就以为着招到了数据所在的那个圈圈，但是还不知道数据具体这个圆圈的具体位置

 

平均延迟时间：

 

机械臂到达正确的磁道之后还必须等待旋转到数据所在的扇区下，这段时间成为延迟时间

 

 

虚拟内存：

当计算机需要运行大于物理内存的程序时，就要将暂时不需要执行的程序先放入磁盘的某个地方，该区域就成为零虚拟内存，在linux中成为swap分区，这种机制核心在于快速影射内存和磁盘地址，由cpu的一个部件负责，称为储存器管理单元（MMU）

 

 

4.磁带:

 

价低容量大，移动性强，常被用来备份，常见于大型数据库系统中

 

 

I/O设备：

I/O设备一般包括两部分：设备控制器和设备本身。

控制器：主板上的一块芯片或一组芯片，控制器负责控制链接的设备，它从操作系统接收命令，然后对设备进行操作。

 

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

 

5.总线（BUS）：

 

北桥（PCI桥）：链接高速设备，cpu，L2缓存，内存等

南桥（ISA桥）：链接慢速设备，链接慢速设备，usb，显示器等

 

6.启动计算机：

 

BIOS 相当于一个小的系统，他有低层的I/O软件，包括读写键盘，写平米，进行磁盘I/O 一般存放于非易失性闪存RAM中。

 

启动流程：

 

1.计算机加电

2.BIOS开始运行，检查硬件：cpu，内存，硬盘等

3.BIOS开始读取CMOS储存器中的参数，选择启动设备

4.从启动盘上读取第一个扇区的内容（MBR主引导纪录512字节，前446为引导信息，后64为分区信息，最后2个为标志位）

5.根据分区信息读入boot启动装置模块，启动操作系统

6.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驱动程序。一旦有了全部的设备驱动程序，操作系统就将它们调入内核。然后初始有关的表格（如进程表），穿件需要的进程，并在每个终端上启动登录程序或GUI