计算机组成原理基础

Posted 2020-09-03 HzxPeter

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计算机组成原理基础

语言是用来沟通的，程序员与计算机进行沟通就需要通过编程语言进行沟通。编程语言并不能直接操纵硬件，而是运行在操作系统上，由操作系统对硬件进行控制。

1、计算机的组成

一个完整的计算机系统包括:计算机硬件、操作系统、用户软件

1.1计算机硬件

计算机是由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备组成的，它们都通过总线进行连接通信。

1.2 处理器

处理器包含运算器和控制器，运算器负责算数运算，控制器负责逻辑运算

1.2.1 CPU 内存 磁盘

当有任务要处理的时候，存放在磁盘上的文件首先存到内存中，CPU到内存中去取数据

1.2.2 CPU寄存器

CPU的寄存器是由操作系统控制的，有以下分类：

1. 通用寄存器：保存变量和临时结果
2. 程序计数器寄存器：保存了将要取出的下一条指令的内存地址，这个就是中断的概念，CPU通过快速切换让我们觉得很多任务同时进行，实际CPU同一时刻只能处理一件事。
3. 堆栈指针寄存器：堆栈是先进后出
4. 程序状态字寄存器：该寄存器能控制CPU的优先级，模式（用户态和内核态），非常重要。

1.2.3 用户态 内核态

用户态：当用户程序运行时，CPU处于用户态，此时的内核态时完全禁止的 内核态：CPU内部有指令集，操作系统的指令都要转化成CPU指令执行，当CPU处于内核态时，操作系统对CPU具有完全的控制权

1.2.4 用户态和内核态的切换

用户态不能操作硬件，当用户程序运行的时候，程序想要控制硬件就需要由用户态切换到内核态，用户程序必须使用系统调用，系统调用陷入内核并调用操作系统，通过指令把用户态切换成内核态，并启用操作系统从而获得服务。

可以用0和1两种状体表示内核态和用户态，psw中有相应的二进制位可以控制 内核态：操作系统的CPU状态 1 用户态：用户程序的CPU状态 0

1.3 存储器

1. 一级缓存L1：CPU内部的存储器，称作寄存器，采用的是与CPU相同材质制作的，访问速度快，无延迟
2. 二级缓存L2：内存中有高速缓存行按照0-64字节为行0,64-127字节为行2，...依次类推，最常用的程序通常存放在高速缓存行中 ，当程序读取一个存储字时，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。如果是，则称为高速缓存命中，否则称为高速缓存未命中，那么就必须访问内存。
3. 内存RAM:RAM是随机存储器，断电后数据丢失
4. EEPROM：Electrically Erasable PROM，电可擦除可编程ROM
5. 闪存：flash通常作为便携存储设备，固态硬盘，但是读写次数是有限的
6. CMOS：在计算机中通常作为电脑主板上保存时间和日期，还可以保存电脑的配置参数

1.4 磁盘

1.4.1 磁盘的结构 磁道：磁盘上的信息是存储在一系列的同心圆上，磁头能够读取的区域成为磁道。 柱面：磁盘的上下两面都是可以读写的，柱面就是磁盘相同位置上磁道的集合 扇区：磁道上的一段512字节的区域，是最小的读写单位 块block：8个扇区是一个block，4字节

1.4.2 平均寻道时间 接收到系统指令后，磁头从开始移动至数据所在磁道花费的平均时间，体现了硬盘读取数据的能力。

1.4.3 平均延迟时间 机械手臂到达数据所在的磁道后还需要旋转到数据所在的扇区，这段时间是平均延迟时间

1.1.4虚拟内存与MMU

虚拟内存可以支持计算机运行高于物理内存的程序，通常会在磁盘选择一个区域作为虚拟内存空间。程序运行时首先把重要的文件读入内存，暂时不需要的文件磁盘的虚拟内存区域，当需要的时候再读入内存

MMU：CPU中负责快速映射内存和虚拟内存的管理单元，称为存储器管理单元

1.4.5 磁带：磁带的存储速速低，但是存储容量大，可移动性强，通常在大型数据库中用作备份

1.5 I/O设备驱动和控制器

控制器 ：输入输出设备在主板上所有相应的控制芯片，负责控制连接的设备 设备驱动：设备厂商制定了统一的接口，并会为不同的系统编写相应的驱动程序，这些驱动程序就保存在控制器中

1.6 总线

是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线

PCI桥，即北桥，是连接CPU和内存这些高速设备的 ISA桥，即南桥，是连接低速设备的

2 计算机启动流程

计算机主板上有一个基本输入输出程序Bios，BIOS相当于一个简单的操作系统，程序存储在CMOS中，计算机上电后，就是读取它。

计算机的启动流程分成四个阶段：

第一阶段：BIOS 

2.1 硬件自检

上电后BISO程序进行硬件检查，判断计算机硬件能否满足运行的基本条件，如果硬件出现问题，主板会发出不同含义的蜂鸣，启动中止。如果没有问题，屏幕就会显示出CPU、内存、硬盘等信息。

2.2 启动顺序

硬件自检完成后，BIOS把控制权转交给下一阶段的启动程序。 这时，BIOS需要知道，"下一阶段的启动程序"具体存放在哪一个设备。也就是说，BIOS需要有一个外部储存设备的排序，排在前面的设备就是优先转交控制权的设备。

第二阶段：主引导记录 

计算机读取该设备的第一个扇区，也就是读取最前面的512个字节。如果这512个字节的最后两个字节是0x55和0xAA，表明这个设备可以用于启动；如果不是，表明设备不能用于启动，控制权于是被转交给"启动顺序"中的下一个设备。 这最前面的512个字节，就叫做"主引导记录"（Master boot record，缩写为MBR）。

2.3 主引导记录的结构

"主引导记录"512个字节,它的主要作用是，告诉计算机到硬盘的哪一个位置去哪个分区找操作系统。

主引导记录由三个部分组成：

1. 第1-446字节：调用操作系统的机器码。
2. 第447-510字节：分区表（Partition table）。
3. 第511-512字节：主引导记录签名（0x55和0xAA）。 　

2.4 分区表

硬盘分区有很多好处。考虑到每个区可以安装不同的操作系统，"主引导记录"因此必须知道将控制权转交给哪个区。

 第三阶段：硬盘启动

 根据分区信息读入bootloader启动装载模块，启动操作系统

 第四阶段：操作系统

控制权转交给操作系统后，操作系统的内核首先被载入内存。 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，等待用户输入用户名和密码

3 软件启动流程

当用户软件启动时，此时处于用户态，用户程序向操作系统发送指令，程序需要操作硬盘则需要进入内核态，用户程序必须使用系统调用，系统调用陷入内核并调用操作系统，通过指令把用户态切换成内核态，并启用操作系统从而获得服务。

致谢

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