计算机基础——硬件

Posted 2020-09-27

　　　　　　　　硬件

作为一名即将统治世界的程序员，我们可以用我们指间的力量改变世界，但总而言之也要懂一些底层的东西嘛。

　　

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。

　　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编程之路分为计算机硬件基础，操作系统基础，和python编程三部分，就让我们先从计算机硬件学起吧！

　　好了不说废话了，一起来学习吧！

  编程语言就是程序员与计算机沟通的介质 应用程序通过操作系统来控制硬件

一台简单的计算机可以抽象成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

 

 

 

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

计算机硬件有处理器、存储器、磁盘、磁带、总线、

处理器

计算机的大脑cpu，他从内存中取指令->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。

因为内存访问数据的时间远远大于cpu等待指令的时间，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 对于开发人员来说最后一中寄存器最为重要，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.

处理器的设计和改变

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。只有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。

　　CPU的两种工作状态

内核态与用户态

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。

用户态与内核态切换

　　用户态不能够直接调用硬件来进行操作，但是生活中总会遇到，比如你点开一个播放器他是如何播放的呢？——用户程序当需要调用硬件来使用时，通过特定的指令——系统调用来实现，通过用户态转变成内核态来调用硬件来使用的。

存储器

　　多线程和多核芯片

 L1

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访问它没有时延

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，还出现了傲寒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

                                

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　以上是两家主流cpu

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

 

　　寄存器即L1缓存：

用与cpu相同材质制造，与cpu一样快，但价格高昂，不适合大规模使用

　　高速缓存即L2缓存：

高速缓存L2是一种介于寄存器和内存之间的产物，他的速度快于内存慢于寄存器，造价适中。

　　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：

内存是计算机必不可少的存储设备，他可以运行大于他的软件，在服务器中通常还有交换分区swap，主存的易失性存储，断电后保存的数据会消失。市面上还有一种内存ROM，是一种只读不易失的，还有EEPROM 电可察rom还有闪存可多次rw的存储设备，还有cmos，纽扣电磁，他是存储主板时间的，一块可用5-6年。

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

 

　　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：

 

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)

 

 

 

PS：从一个程序切换到另外一个程序，成为上下文切换(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

 

磁带

磁带是一种大容量存储设备，他价格低廉，存储量大，是一些企业容灾备份的首选，缺点是I/O速度慢。

总线

四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

                                                                

操作系统启动流程

下三层设备启动流程

 

接通电源。bios运行---硬件加电自检--读取cmos，选择启动项。读入bootloader启动装载模块，启动操作系统。bios--mbr--bootloader--grub--kernel

 

应用程序启动流程

上三层设备启动流层

　　应用层序调用操作系统，操做系统找到层序所在硬盘，加载到内存， cpu用户态，内核态相互转化 调用硬件。