计算机硬件基础

计算机硬件包括五大部分

• 控制器：计算机指挥系统，通过地址访问存储器，从存储器中取出指令，经过编译分析后，根据指令分析结果产生响应的操作控制信号作用于其他部件，使各个部件在控制器控制下有条不紊的工作
• 运算器：实现算术运算和逻辑运算的部件
• 存储器：计算机用来存放所有数据和程序的记忆部件，基本功能就是按指定的地址写入或者取出信息。计算机存储器可分两大类：1.内存存储器，也就是内存；2.外存储器或者说辅助存储器。存储器由若干个存储单元组成，每个存储单元都有一个地址，计算机通过地址对存储单元进行读写。存储器所包含的字节数称为存储容量，单位：B、KB、MB、GB、TB等
• 输入设备：是向计算机中输入信息（程序、数据、声音、文字、图形、图像等）的设备。常见的输入设备有：键盘、鼠标、图形扫描仪、触摸屏、条形码输入器、光笔等。 外存储器也是一种输入设备。
• 输出设备：主要有显示器、打印机和绘图仪等。外存储器也当作一种输出设备。

控制器+运算器=CPU，CPU、内存(主存储器)以及其他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

cpu是人的大脑，负责控制全身、进行运算

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或嘴巴，负责接收外部的信息存入内存

输出设备是你的脸部(表情)或者屁股，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

CPU同一时刻只能干一件事 

硬件最核心的三点：硬盘、内存、CPU

数据处理顺序：

• CPU数据来自内存，数据要永久保存的话从内存刷到硬盘；
• 硬盘数据加载到内存，CPU从内存拿数据

处理器

通常将运算器和控制器合称为中央处理器(Central Processing Unit，CPU)。其中运算器用来主要负责程序运算与逻辑判断，控制器则主要协调各组件和各单元的工作，所以CPU的工作主要在于管理和运算。可以说计算机的大脑就是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。

CPU读取的数据都是从主存储器（内存）来的！主存储器内的数据则是从输入单元所传输进来！而CPU处理完毕的数据也必须先写回主存储器中，最后数据才从主存储器传输到输出单元。

CPU有自己指令集，人编写的代码要转换成CPU能识别的指令集，然后CPU执行

目前世界上常见到的两种主要的CPU种类：分别是精简指令集（RISC）与复杂指令集（CISC）系统

寄存器

　　如图，CPU速度最快，从内存取数据，内存会有来不及供给的情况，CPU就需要等着内存，降低CPU执行速度；

　　就像我们不让CPU直接从硬盘拿数据一样，速度太慢，所以我们加了内存，比硬盘速度快，同理，在内存和CPU之间加一个设备，那就是寄存器；

　　寄存器比内存速度快，容量比内存小，临时存储

寄存器分类

通用寄存器

• 用来保存变量和临时结果，CPU取的时候速度更快

程序计数器

• 保存将要取出的下一条指令的内存地址，指令取出后，计数器就被更新，以便执行后期的指令（通俗点就是保存程序运行的状态）

堆栈指针

• 还有一些数据量很大的数据，寄存器容量有限，只能放到内存中；CPU跟内存要数据，需要找到数据存放位置，这个过程就会消耗时间，需要优化找寻的时间，提高效率，让他找的更快：在寄存器保存数据存放的位置，CPU从寄存器拿到地址直接在内存拿数据，效率就搞了

程序状态字寄存器

• 非常重要的寄存器程序状态字寄存器(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

内核态和用户态

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。

　　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。

内核态和用户态举例

word启动，跑在内存中，打开一个文档；
wrod应用软件工作在用户态，不能操作硬件，word发起系统调用，由用户态切换到内核态，由操作系统操作硬件，到硬盘拿导数据，将数据拷贝给用户态的word，这样就能看见文档了

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。

 处理器设计演变

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

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

进程起源：运行的一个过程就是进程，上面执行的一条流水线就是进程的起源

多核芯片、多线程

moore定律指出，芯片中的晶体管数量每18个月翻一倍

• 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
• 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）

进程代表资源单位：如：北京地铁

线程代表执行单位：如：1号线、13号线等

进程下的线程共享进程下的资源：如：所有的人；

• 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

存储器

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

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。

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。

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

 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（最小读写单位）

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

虚拟内存：

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：

• 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）

IO设备：

• 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。

 总线:

北桥即PCI桥：连接高速设备

南桥即ISA桥：连接慢速设备

主板图解：

计算机启动

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。

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

 应用软件启动

 鼠标点击软件：向操作系统发送请求，打开文件；操作系统实时监控操作事件

操作系统找到文件，读文件加载到内存，程序运行