计算机基础之——计算机硬件

Posted 2020-09-20

目录

一、为何要学习计算机基础 2

二、计算机硬件介绍 3

2.1 处理器 4

2.1.1 寄存器的分类 4

2.1.2 寄存器的维护 5

2.1.3 处理器设计的演变 5

2.1.4 内核态与用户态 5

2.1.5 内核态与用户态切换 6

2.1.6 异常处理 6

2.1.7 多线程和多核芯片 6

2.2 存储器 8

2.2.1 寄存器即L1缓存 8

2.2.2 高速缓存即L2缓存 8

2.2.3 内存 9

2.3 磁盘 9

2.3.1 寻道时间与延迟时间 10

2.3.2 虚拟内存 11

2.4 磁带 11

2.4.1 I/O设备 11

2.5 总线 12

三、启动计算机 12

3.1 启动流程 12

3.1.1 简单口述启动流程 13

  

 

 

 

 

 

一、为何要学习计算机基础             

python是编程语言，即python是语言

语言有英语、法语、葡萄牙语等，但凡是语言，都是用来沟通的介质。

程序员编程的本质就是让计算机去工作，而编程语言就是程序员与计算机沟通的介质

程序员要想让计算机工作，必须知道计算机能干什么，怎么干的，这也就是我们必须学习计算机基础的原因

 

然而光有编程语言和硬件也并不能满足大家的编程需求，为什么这么说呢？

　　程序用编程语言写程序，最终开发出的结果就是一个软件，既然是软件，那就与腾讯qq、暴风影音、快播等软件没有区别了。这些软件必须运行在操作系统之上，你肯定会问：为何要有操作系统呢？没错，远古时代的程序员确实是在没有操作系统的环境下，用编程语言之间操作硬件来编程的，你可能觉得这没有问题，但其实问题是相当严重的，因为此时你必须掌握如何操作硬件的所有具体细节，比如如何具体操作硬盘（现在你得把硬盘拆开，然后你能看见的所有的东西，你都得研究明白，因为你编程时要用到它），这就严重影响了开发的效率，操作系统的出现就是运行于硬件之上，来控制硬件的，我们开发时，只需要调用操作系统为我们提供的简单而优雅的接口就可以了

 

所以一套完整的计算机系统分为：计算机硬件，操作系统，软件（程序员开发的就是软件），如下图。

因而我们的python编程之路大概分为：

1）计算机硬件基础

2）操作系统基础

3）python编程

这三部分，就让我们先从计算机硬件学起吧 

 

 

 

二、计算机硬件介绍                   

从概念上讲，一台简单的个人计算机可以抽象为类似下图的模型，CPU、内存以及I/O设备都由一条系统总线（bus）连接起来并通过总线与其他设备通信

现代计算机的结构更复杂，包括多重总线，我们将在后面的小节介绍，此时暂且让我们以下图为例来介绍各个部件

 

 

 

理解各部分功能的一个简单的方法是，把计算机各部分组件往人的身上套，比如

cpu是人的大脑，负责运算

内存是人的记忆，负责临时存储

硬盘是人的笔记本，负责永久存储

输入设备是耳朵或眼睛，负责接收外部的信息传给cpu

输出设备是你的表情，负责经过处理后输出的结果

以上所有的设备都通过总线连接，总线相当于人的神经

 

上课开始，老师讲课，学生听课，老师是程序员，学生是计算机，学生的器官都是计算机各部分组成

1.老师通过学生的眼睛和耳朵将自己的知识/指令传给学生（输入）

2.学生在接收知识/指令后，通过自己的神经，将其放入自己的内存/短期记忆（总线、内存）

3.学生的大脑/cpu从短期记忆里取出知识/指令，分析知识/指令，然后学习知识/执行指令 （cpu取指、分析、执行）

4.学生的表情会直接反映出自己是否听懂，这就是输出，老师瞅一眼就知道学生有没有学会（输出）

5.学生想要永久将知识保存下来，只能拿出一个笔记本，把刚刚学会的知识都写到本子上，这个本子就是硬盘（磁盘）

 

 

2.1 处理器

计算机的大脑就是CPU，它从内存中取指令->解码->执行，然后再取指->解码->执行下一条指令，周而复始，直至整个程序被执行完成。

每个cpu都有一套可执行的专门指令集，任何软件的执行最终都要转化成cpu的指令去执行。所以Pentium（英特尔第五代x86架构的微处理器）不能执行SPARC（另外一种处理器）的程序。这就好比不同的人脑，对于大多数人类来说，人脑的结构一样，所以别人会的东西你也都可以会，但对于爱因斯坦的脑子来说，它会的你肯定不会。

因访问内存以得到指令或数据的时间比cpu执行指令花费的时间要长得多，所以，所有CPU内部都有一些用来保存关键变量和临时数据的寄存器，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。

 

2.1.1 寄存器的分类

1）除了用来保存变量和临时结果的通用寄存器外

2）多数计算机还有一些对程序员课件的专门寄存器，其中之一便是程序计数器，它保存了将要取出的下一条指令的内存地址。在指令取出后，程序计算器就被更新以便执行后期的指令

3）另外一个寄存器便是堆栈指针，它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一个框架。在一个过程的堆栈框架中保存了有关的输入参数、局部变量以及那些没有保存在寄存器中的临时变量

4）最后一个非常重要的寄存器就是程序状态字寄存器(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非常非常非常非常非常非常重要

 

2.1.2 寄存器的维护

　　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，这样在稍后该程序被再次运行时，可以把这些寄存器重新装入。

 

2.1.3 处理器设计的演变

1）最开始取值、解码、执行这三个过程是同时进行的，这意味着任何一个过程完成都需要等待其余两个过程执行完毕，时间浪费

2）后来被设计成了流水线式的设计，即执行指令n时，可以对指令n+1解码，并且可以读取指令n+2,完全是一套流水线。

 

 

3）超变量cpu，比流水线更加先进，有多个执行单元，可以同时负责不同的事情，比如看片的同时，听歌，打游戏。

两个或更多的指令被同时取出、解码并装入一个保持缓冲区中，直至它们都执行完毕。只要有一个执行单元空闲，就检查保持缓冲区是否还有可处理的指令

 

 

这种设计存在一种缺陷，即程序的指令经常不按照顺序执行，在多数情况下，硬件负责保证这种运算结果与顺序执行的指令时的结果相同。

 

2.1.4 内核态与用户态

除了在嵌入式系统中的非常简答的CPU之外，多数CPU都有两种模式，即内核态与用户态。

通常，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，很明显，所有的指令中包含了使用硬件的所有功能，（操作系统在内核态下运行，从而可以访问整个硬件）

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，该子集中不包含操作硬件功能的部分，因此，一般情况下，在用户态中有关I/O和内存保护（操作系统占用的内存是受保护的，不能被别的程序占用），当然，在用户态下，将PSW中的模式设置成内核态也是禁止的。

 

2.1.5 内核态与用户态切换　　

　　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。

请把系统调用看成一个特别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。

 

2.1.6 异常处理

需要强调的是，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，如试图1/0等操作。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，让其处理相关的问题

 

2.1.7 多线程和多核芯片

moore定律指出，芯片中的晶体管数量每18个月翻一倍，随着晶体管数量的增多，更强大的功能称为了可能，如：

I.第一步增强：在cpu芯片中加入更大的缓存，一级缓存L1，用和cpu相同的材质制成，cpu访问它没有延时

II.第二步增强：一个cpu中的处理逻辑增多，intel公司首次提出，称为多线程（multithreading）或超线程（hyperthreading），对用户来说一个有两个线程的cpu就相当于两个cpu，我们后面要学习的进程和线程的知识就起源于这里，进程是资源单位而线程才是cpu的执行单位。

多线程运行cpu保持两个不同的线程状态，可以在纳秒级的时间内来回切换，速度快到你看到的结果是并发的，伪并行的，然而多线程不提供真正的并行处理，一个cpu同一时刻只能处理一个进程（一个进程中至少一个线程）

III.第三步增强：除了多线程，还出现了包含2个或者4个完整处理器的cpu芯片，如下图。要使用这类多核芯片肯定需要有多处理操作系统

 

 

 

2.2 存储器

计算机中第二重要的就是存储了，所有人都意淫着存储：速度快（这样cpu的等待存储器的延迟就降低了）、容量大、价钱便宜。然后同时兼备三者是不可能的，所以有了如下的不同的处理方式

 

 

存储器系统采用如上图的分层结构，顶层的存储器速度较高，容量较小，与底层的存储器相比每位的成本较高，其差别往往是十亿数量级的

 

2.2.1 寄存器即L1缓存

用与cpu相同材质制造，与cpu一样快，因而cpu访问它无时延，典型容量是：在32位cpu中为32*32，在64位cpu中为64*64，在两种情况下容量均<1KB。

 

2.2.2 高速缓存即L2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。高速缓存未命中，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量大。

　　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2.1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字，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。

 

2.2.3 内存

再往下一层是主存，此乃存储器系统的主力，主存通常称为随机访问存储RAM，就是我们通常所说的内存，容量一直在不断攀升，所有不能再高速缓存中找到的，都会到主存中找，主存是易失性存储，断电后数据全部消失

除了主存RAM之外，许多计算机已经在使用少量的非易失性随机访问存储如ROM（Read Only Memory，ROM），在电源切断之后，非易失性存储的内容并不会丢失，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速度快且便宜，在有些计算机中，用于启动计算机的引导加载模块就存放在ROM中，另外一些I/O卡也采用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。

 

还有一类存储器就是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。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

 

 

2.3 磁盘

 

 

磁盘低速的原因是因为它一种机械装置，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，这类似于老式黑胶唱片机上的拾音臂。信息卸载磁盘上的一些列的同心圆上，是一连串的2进制位（称为bit位），为了统计方法，8个bit称为一个字节bytes，1024bytes=1k，1024k=1M，1024M=1G,所以我们平时所说的磁盘容量最终指的就是磁盘能写多少个2进制位。

 

 

每个磁头可以读取一段换新区域，称为磁道

把一个戈丁手臂位置上所以的磁道合起来，组成一个柱面

每个磁道划成若干扇区，扇区典型的值是512字节

 

2.3.1 寻道时间与延迟时间

　　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称为寻到时间，找到了磁道就以为找到了数据所在的那个圈圈，但是还不知道数据具体在这个圆圈的哪个位置（哪个扇区）

 

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

 

 

2.3.2 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，这块地方称为虚拟内存，在Linux中称为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，称为存储器管理单元(Memory Management Unit MMU)

 

PS：从一个程序切换到另外一个程序，称为上下文切换(context switch),缓存和MMU的出现提升了系统的性能，尤其是上下文切换

 

 

2.4 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。（常见于大型数据库系统中）

 

2.4.1 I/O设备

cpu和存储器并不是操作系统唯一需要管理的资源，I/O设备也是非常重要的一环。

 

如上图，I/O设备一般包括两个部分：设备控制器和设备本身。

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

设备本身有相对简单的接口且标准的，这样大家都可以为其编写驱动程序了。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。

 

 

2.5 总线

2.4.1小节中的结构在小型计算机中沿用了多年，并也用在早期的IBM PC中。但是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，于是出现了下图的多总线模式，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 

 

 

 

 

三、启动计算机                       

在计算机的主板上有一个基本的输入输出程序（Basic  Input Output system)

Bios就相当于一个小的操作系统，它有底层的I/O软件，包括读键盘，写屏幕，进行磁盘I/O，该程序存放于一非易失性闪存RAM中。

 

 

3.1 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，系统则会要求用户安装设备驱动程序。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

 

3.1.1 简单口述启动流程

1）计算机加电

2）开机BIOS自检，然后BIOS读取CMOS的参数

3）选择启动设备，读取MBR引导在硬盘上的0柱面0磁道1扇区前446Bytes

4）根据分区表信息读入bootloader启动装载模块，启动操作系统

5）操作系统询问BIOS，获得设备配置信息

6）检查设备驱动程序，然后调入内核

7）初始化有关表格、进程表，启动需要的进程

8）最后，每个终端上启动登入程序或GUI