论计算机硬件基础（2017 5 18作业）

Posted 2020-09-19

 

  1.编程语言的作用及与操作系统和硬件的关系

  作用：编程语言是人机交流的介质，是程序员让计算机工作的手段和方式...

  论关系：编程语言开发而成的成品即为软件，故此关系可以看成是软件操作系统硬件三者的关系。

          硬件是操作系统的运行基础，操作系统是软件的运行系统；

          软件用来控制操作系统，操作系统用来控制硬件。

  

    应用程序-》操作系统-》硬件

  应用程序由编程语言开发而成的产品。是软件的一类，与系统程序并称为软件。

  故此题与上题关系论大同小异，不再议。

  

    2.cpu-》内存-》磁盘

       上述题目我认为是描述三种硬件中执行能力逐级下降的队列。

       CPU运算能力，执行能力最强，是计算机的运算中心；内存是计算机的临时存储，执行力较次于CPU；磁盘（硬盘）是相对于内存的永久存储，执行能力最差。

       

    3.cpu与寄存器，内核态与用户态及如何切换

      cpu工作进程：取（指令）——解（码）——执行

     寄存器的由来

     cpu访问内存时取指令步骤较执行花费时长过多，为提升效率，寄存器便应由而来。

     寄存器在CPU内部，用来保证变量和临时数据。

    这样通常在cpu的指令集中专门提供一些指令，用来将一个字（可以理解为数据）从内存调入寄存器，以及将一个字从寄存器存入内存。cpu其他的指   令集可以把来自寄存器、内存的操作数据组合，或者用两者产生一个结果，比如将两个字相加并把结果存在寄存器或内存中 

    用户态下工作的软件不能操作硬件，但是我们的软件比如暴风影音，一定会有操作硬件的需求，比如从磁盘上读一个电影文件，那就必须经历从用户态切换到内核态的过程，为此，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操作系统，TRAP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。

　　请把的系统调用看成一个特别的的过程调用指令就可以了，该指令具有从用户态切换到内核态的特别能力。

     

       

  4.存储器系列，L1缓存，L2缓存，内存（RAM），EEPROM和闪存，CMOS与BIOS电池

            tips  1Byte(字节）=8bit（位）   

          平时常见的KB中用的是Byte（字节）

     L1缓存

   即寄存器。材质与CPU相同，CPU读取速度快且无时限。容量小于1KB...可以说是CPU自己家的内存...

     L2缓存 

   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..

     内存（RAM)

   主要内存，通称为随机访问存储（RAM）。易失性存储，断电gg...

     额外加上ROM（不易失性随机访问存储）

   断电不会消失，不能修改，只读。应用例如启动计算机的引导加载模块,I/O卡等..

     EEPROM（Electrically Erasable PROM电/可擦除/可编程ROM）

     闪存（flash memory）

   非易失性，但可以擦除和重写。   

     CMOS

   易失性，由一块小电池驱动（独立电源），用在计算机时间日期或保存计算机配置参数..

     BLOS电池

         

  5.磁盘结构，平均寻道时间，平均延迟时间，虚拟内存与MMU

     一种机械装置，在磁盘中有一个或多个金属盘片，它们以5400，7200或10800rpm（RPM =revolutions per minute 每分钟多少转 ）的速度旋转。从边缘开始有一个机械臂悬在盘面上。

    机械手臂从一个柱面移动到相邻柱面的时间即为寻道时间。（柱面到柱面）

    机械臂移动到正确的磁道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（所在磁道到所在扇区）

   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)

  6.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。

  7.设备驱动与控制器

    驱动： 要想调用设备，必须根据该接口编写复杂而具体的程序，于是有了控制器提供设备驱动接口给操作系统。必须把设备驱动程序安装到操作系统中。

  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。

  8.总线与南桥和北桥

     随着处理器和存储器速度越来越快，单总线很难处理总线的交通流量了，于是出现了多总线模式，他们处理I/O设备及cpu到存储器的速度都更快。

    北桥即PCI桥：连接高速设备 。

    南桥即ISA桥：连接慢速设备。

     

  9.操作系统的启动流程

     1.计算机加电

   2.BIOS开始运行，检测硬件：cpu、内存、硬盘等

   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的内容（MBR主引导记录512字节，前446为引导信息，后64为分区信息，最后两个为标志位）

   5.根据分区信息读入bootloader启动装载模块，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。

 10.应用程序的启动流程

    1.我通过鼠标键盘(输入接口）点击应用程序。

    2.操作系统控制CPU从用户态转换为内核态，CPU读取数据从硬盘=》内存=》寄存器的顺序然后运算执行

    3.显示器上出现相应反馈，应用程序打开。