计算机硬件

计算机硬件

一、为什么要学习计算机基础   

  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,就要知道计算机能干什么、是怎么样的一个完成过程,这也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)。因而我们的python编程之路分为计算机硬件基础、操作系统基础和编程语言三部分,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:

  

  了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)。

    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。

  寄存器的分类:

  1.用来保存变量和临时结果的通用寄存器

   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特别的重要

  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。

   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。

   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。

   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。

    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。

   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

  1.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

  2.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)

  3.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   

  计算机中第二重要的就是存储了,所有人都希望存储能够: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,因而cpu访问它无时延,典型容量是:在32cpu中为32*32,在64cpu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064~127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。

  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。L1L2的差别在于对cpuL1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   

  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ROMRead 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5400,720010800rpmRPM =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,8bit称为一个字节bytes1024bytes=1k1024k=1M1024M=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   

  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)

   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。

  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   

  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。

                   

   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。

  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。

 

参考文档:http://www.cnblogs.com/linhaifeng/p/6523843.html

posted on 2017-07-30 00:53 Ella_Wu 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏

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