计算机硬件

Posted 2020-09-18 maze

 

 

 

编程语言的作用及与操作系统和硬件的关系

1. 编程语言的作用：程序员与计算机沟通的介质
2. 软件（编程语言编写的程序）运行在操作系统上，操作系统也是一款特殊的软件，它调用硬件的接口(驱动)来控制硬件

  计算机硬件 

1. cpu负责运算
2. 内存负责临时存储
3. 硬盘负责永久存储
4. 输入设备接收外部信息传输给CPU
5. 输出设备输出经过CPU处理后的结果

CPU与寄存器，内核态与用户态的切换

CPU从内存中取指令，解码，执行。

中央处理器 （英语：Central Processing Unit，缩写：CPU），是计算机的主要设备之一，功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。计算机的可编程性主要是指对中央处理器的编程。中央处理器、内部存储器和输入／输出设备是现代电脑的三大核心部件。

寄存器（Register）

1. CPU中的寄存器是少量且速度快的电脑内存，借由提供快速共同地访问数值来加速计算机程序的运行
2. 寄存器是有限存贮容量的高速存贮部件，它们可用来暂存指令、数据和地址。在中央处理器的控制部件中，包含的寄存器有指令寄存器（IR）和程序计数器。在中央处理器的算术及逻辑部件中，包含的寄存器有累加器。
3. 寄存器是内存层次结构中的最顶端，也是系统操作数据的最快速途径。

• 通用寄存器：用来保存变量和临时结果
• 程序计数器：保存了将要去除的下一条指令的内存地址。指令去除后，程序计算器就被更新以便执行后期的指令
• 堆栈指针：指向内存中当前栈的顶端。该栈包含已经进入但是还没有退出的每个过程中的框架。在一个过程的堆栈框架中保存了有关的输入参数，局部变量以及没有保存在寄存器中的临时变量
• 程序状态字寄存器（program status word PSW）：这个寄存器包含了条码位（由比较指令设置），CPU优先级，模式（用户态或内核态），以及各种其他控制位。用户通常读入整个PSW，但是只对其中少量的字段写入。在系统调用和I／O 中PSW 非常重要

操作系统必须知晓所有的寄存器，在时间多路复用的CPU中，操作系统会经常中止正在运行的某个程序并启动（或再次启动）另一个程序。每次停止一个运行着的程序时，操作系统必须保存所有的寄存器，这样稍后再次运行时，可以把这些寄存器重新装入

CPU有两种工作状态：内核态，用户态 PSW 中有一个二进制位控制这两种模式内核态：当CPU在内核态运行时，CPU可以执行指令集中所有的指令，所有的指令中包含了使用硬件的所有功能（操作系统在内核态运行，可以访问整个硬件

用户态：用户程序在用户态下运行，仅仅只能执行CPU整个指令集的一个子集，该子集不包含操作硬件功能的部分

 

内核态与用户态切换

用户程序必须使用系统调用（system call），系统调用陷入内核并调用指令，该指令具有从用户态切换到内核态的特别能力

异常处理：计算机使用TRAP来执行系统调用，多数的TRAP是由硬件引起的，用于警告有异常情况发生。在所有的情况下，操作系统都得到控制权并决定如何处理异常情况，有时，由于出错的原因，程序不得不停止。在其他的情况下可以忽略出错，如果程序已经提前宣布它希望处理某类异常时，那么控制权还必须返回给程序，让其处理相关问题

存储器系列

 L1 缓存（寄存器）：在CPU芯片中加入更大的缓存，材质和CPU相同，CPU访问它没有延迟 典型容量 32位CPU中位32*32 64位CPU中为64*64 在两种情况下容量均<1KB 

 L2 缓存（高速缓存）：主要由硬件控制高速缓存的存取，内存中有高速缓存行按照0～64字节为行0，64～127为行1 最常用的高速缓存行放置在CPU内部或者非常接近CPU的高速缓存中。当某个程序需要读一个存储字时，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。缓存满足了请求，就不需要通过总线把访问请求送往主存(内存)，这毕竟是慢的。高速缓存的命中通常需要两个时钟周期。高速缓存为命中，就必须访问内存，这需要付出大量的时间代价。由于高速缓存价格昂贵，所以其大小有限，有些机器具有两级甚至三级高速缓存，每一级高速缓存比前一级慢但是容易大。缓存在计算机科学的许多领域中起着重要的作用，并不仅仅只是RAM（随机存取存储器）的缓存行。只要存在大量的资源可以划分为小的部分，那么这些资源中的某些部分肯定会比其他部分更频发地得到使用，此时用缓存可以带来性能上的提升。一个典型的例子就是操作系统一直在使用缓存，比如，多数操作系统在内存中保留频繁使用的文件（的一部分），以避免从磁盘中重复地调用这些文件，类似的/root/a/b/c/d/e/f/a.txt的长路径名转换成该文件所在的磁盘地址的结果然后放入缓存，可以避免重复寻找地址，还有一个web页面的url地址转换为网络地址(IP)地址后，这个转换结果也可以缓存起来供将来使用。 　　缓存是一个好方法，在现代cpu中设计了两个缓存，再看4.1中的两种cpu设计图。第一级缓存称为L1总是在CPU中，通常用来将已经解码的指令调入cpu的执行引擎，对那些频繁使用的数据自，多少芯片还会按照第二L1缓存 。。。另外往往设计有二级缓存L2，用来存放近来经常使用的内存字。L1与L2的差别在于对cpu对L1的访问无时间延迟，而对L2的访问则有1-2个时钟周期（即1-2ns）的延迟。

内存

RAM 存储器系统的主力 主存通常称为随机访问存储  特点：易失性存储，断电后数据全部消失

ROM（read only memory）在切换电源后 非易失性存储的内容不会丢失。ROM只读存储器在工厂中就被编程完毕，然后再也不能修改。ROM 快且便宜 用户计算机的引导加载模块就存放在ROM中，另外一些I/O也采用ROM处理底层设备的控制

EEPROM（Electrically Erasable PROM，电可擦除可编程ROM）和闪存（flash memory）也是非易失性的，但是与ROM相反，他们可以擦除和重写。不过重写时花费的时间比写入RAM要多。在便携式电子设备中中，闪存通常作为存储媒介。闪存是数码相机中的胶卷，是便携式音译播放器的磁盘，还应用于固态硬盘。闪存在速度上介于RAM和磁盘之间，但与磁盘不同的是，闪存擦除的次数过多，就被磨损了。）

CMOS，它是易失性的，许多计算机利用CMOS存储器来保持当前时间和日期。

Bios电池

CMOS存储器和递增时间的电路由一小块电池驱动，所以，即使计算机没有加电，时间也仍然可以正确地更新，除此之外CMOS还可以保存配置的参数，比如，哪一个是启动磁盘等，之所以采用CMOS是因为它耗电非常少，一块工厂原装电池往往能使用若干年，但是当电池失效时，相关的配置和时间等都将丢失

磁盘结构，平均寻道时间，平均延迟时间，虚拟内存与MMU

磁盘结构

• 磁头（head）
• 磁道（track）
• 柱面（cylinder）
• 扇区（sector）512bytes 是磁盘级别最小的读写单位    1block （8*512 bytes）是操作系统级别的最小单位

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称为寻道时间

英文拼写是Average Seek Time，它是了解硬盘性能至关重要的参数之一。它是指硬盘在接收到系统指令后，磁头从开始移动到移动至数据所在的磁道所花费时间的平均值，它一定程度上体现硬盘读取数据的能力，是影响硬盘内部数据传输率的重要参数，单位为毫秒（ms）

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，这段时间称为延迟时间

虚拟内存

许多计算机支持虚拟内存机制，该机制使计算机可以运行大于物理内存的程序，方法是将正在使用的程序放入内存取执行，而暂时不需要执行的程序放到磁盘的某块地方，这块地方成为虚拟内存，在linux中成为swap，这种机制的核心在于快速地映射内存地址，由cpu中的一个部件负责，成为存储器管理单元(Memory Management Unit MMU)

磁带

在价钱相同的情况下比硬盘拥有更高的存储容量，虽然速度低于磁盘，但是因其大容量，在地震水灾火灾时可移动性强等特性，常被用来做备份

 

设备驱动与控制器

设备驱动

驱动程序一般指的是设备驱动程序（Device Driver），是一种可以使计算机和设备通信的特殊程序。相当于硬件的接口，操作系统只有通过这个接口，才能控制硬件设备的工作，假如某设备的驱动程序未能正确安装，便不能正常工作。

控制器

控制器：是查找主板上的一块芯片或一组芯片（硬盘，网卡，声卡等都需要插到一个口上，这个口连的便是控制器），控制器负责控制连接的设备，它从操作系统接收命令，比如读硬盘数据，然后就对硬盘设备发起读请求来读出内容。 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

 

总线与南桥和北桥

 

北桥即PCI桥：连接高速设备 （CPU，主存储器，二级高速缓存）

南桥即ISA桥：连接慢速设备  （磁盘，输入输出设备）

总线（Bus）是指计算机组件间规范化的交换数据（data）的方式，即以一种通用的方式为各组件提供数据传送和控制逻辑

 

操作系统的启动流程

1. 计算机加电
2. BIOS运行 检测硬件（CPU，内存，硬盘）
3. BIOS读取CMOS 存储器中的参数 选择启动设备
4. 从启动设备上读取第一个扇区内容（MBR主引导记录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bootloader启动装载模块，启动系统
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

 

应用程序的启动流程

• 图标即应用程序的快捷方式，双击图标，计算机会读取程序存储在硬盘的数据，数据被加载在内存里面，即可执行命令