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1. 计算机组成

superpoint 2021-07-19 23:40 原文

1.计算机硬件组成

  • 存储器：内存和外存，内存基于电工作，存的快，但是断电丢失，外部存储设备基于磁工作，断电不丢失，但是相对的存储速度慢，一般是将计算机外存的数据加载到内存中供计算机使用
  • 运算器：进行算数运算和逻辑运算
  • 控制器：相当于人的大脑
  • 输入设备
  • 输出设备

2.计算机软件

分类：系统软件（完成计算机与人之间的交互）、应用软件（满足用户特定需求的应用程序）

操作系统：是一个协调、管理、控制计算机硬件资源与应用软件资源的一个控制程序

  • 控制计算机硬件的基本运行

  • 把硬件运行的复杂操作封装成简单的功能，给上层的程序使用

    ​ 文件是操作系统提供给用户的一种虚拟概念

3.计算机体系的三层结构：

  • 应用程序
  • 操作系统
  • 计算机硬件

4.平台与跨平台

硬件+操作系统=平台，应用软件运行在平台之上

软件能否跨平台使用也是衡量应用软件质量的一个重要指标

5.CPU

CPU内部是存在指令集的，应用程序调用指令集去实现对硬件的控制，而CPU内部的指令集分为两种：

  • 精简指令集（Reduced Instruction Set Computing，RISC）：CPU中微指令集较为精简，每个指令的运行时间都很短，完成的动作也很单纯，指令的执行效能较佳；但是若要做复杂的事情，就要由多个指令来完成。常见的RISC指令集CPU主要例如Sun公司的SPARC系列、IBM公司的Power Architecture（包括PowerPC）系列、与ARM系列等。
  • 复杂指令集（Complex Instruction Set Computer，CISC）：与RISC不同，在CISC的微指令集中，每个小指令可以执行一些较低阶的硬件操作，指令数目多而且复杂，每条指令的长度并不相同。因此指令执行较为复杂所以每条指令花费的时间较长，但每条个别指令可以处理的工作较为丰富。常见的CISC微指令集CPU主要有AMD、Intel、VIA等的x86架构的CPU。

6.x86-64位的概念

  • x86是对CPU型号的一种说明
  • 64位是指CPU在内存中一次性取指令的二进制位数是64位的
  • CPU具有向下兼容性，就是64位的CPU可以一次性处理的指令的位数可以小于64位，但是不能大于64位

7.寄存器的概念：

	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。

    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可见的专门寄存器，其中之一便是程序计数器（CU），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非常重要
　　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。

8.内核态与用户态

​ 通常，PSW（Program Status Word），也叫程序状态字、程序状态寄存器，它的里面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

　　把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

9.多线程与多核芯片介绍

​ 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，还出现了包含2个或者4个完整处理器的cpu芯片。要使用这类多核芯片肯定需要有多处理操作系统

​ 2核4线程是指双CPU，每个CPU都是双线程，就是假4核

10.存储器

  • 存储器主要负责存取数据，主要有三个指标：价格、容量和存取速度

    • 寄存器：L1缓存（第一级别缓存），存储的是少量的，关键的数据，与CPU一样快，因此CPU访问他时无延时，但是空间很小，64位大小是64*64，32位的大小是32乘32，都小于1K
    • 高速缓存：L2缓存，存放的是CPU经常使用的数据，CPU取数据的时候，先检查高速缓存中是否有该数据，如果有，称为高速缓存命中，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。
    • RAM：内存
    • ROM：只读内存（read only memory）
    • CMOS：断电数据丢失，存取数据慢，但是的耗电量极低，一般用于计算机计时器的存储

  • 寄存器、高速缓存、内存、磁盘、磁带，cpu对其访问需要的的时间越来越长，但是存储的容量越来越大（磁带发现的较早，内存相比磁盘要小，现在基本已经淘汰）

  • 硬盘：磁道（一圈二进制数据）、柱面、扇区（在硬盘的角度，一次读写的最小单位是扇区，是512B，操作系统一次读写的最小单位是一个block块，即8个扇区）

    • 机械硬盘
    • 固态硬盘

  • IO延迟：平均寻道时间+平均延迟时间

    • 平均寻道时间：机械手臂转到数据所在磁道需要花费的时间（受限于物理工艺水平，目前机械磁盘可以达到的是5ms）
    • 平均延迟时间：转半圈需要花费4ms（7200转/min），受限于转速

  • 优化程序运行效率的一个核心法则：能从内存取数据就不要在硬盘取数据

  • 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)

  • 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

  • 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）

  • 磁带的特点是价格便宜，拆卸简单

  • IO设备：设备控制器（就是一组芯片，设备控制器上面是驱动程序，由驱动程序控制设备控制器进而控制设备本身）+设备本身

  • 总线：连接各个功能部件的数据传输线

    • PCI桥：也被称为北桥，连接CPU和存储器等高速传输数据的组件
    • ISA桥：也成为南桥，主要连接外部设备，USB存储设备等

  • BIOS（basic input output system）：存放计算机厂商写死在计算机上的一段核心程序BIOS，被写到ROM中，里面是一些基础的程序，在电脑上开机之后，在ROM中取出BIOS，完成一些简单的IO操作，简单的说，裸机的电脑中BIOS充当操作系统的角色，CMOS充当硬盘的角色，ROM充当内存的角色

  • 裸机电脑如何安装操作系统：

    • 裸机——》开机——》加载ROM中的BIOS——》加载启动项——》默认在ROM中优先取数据（就是加载BIOS）——》插入外部存储设备——》将其中的操作系统的数据拷贝到本地硬盘中——》关机——》打开BIOS——》将本地硬盘设置为第一加载顺序——》加载其中的数据，这样每次开机的时候就跳过BIOS，直接调用的操作系统的数据了

    • 操作系统启动流程：

    • 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

  • 应用程序的启动流程：操作系统安装之后才可以安装应用程序

    • 双击exe文件，就是告诉操作系统有一个应用程序要执行，提供文件路径
    • 操作系统根据文件路径找到EXE文件在硬盘中的位置，将其加载到内存中
    • 操作系统控制CPU读取内存中的程序的代码执行，这样应用系统就完成了启动

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