硬件

作為一名即將統(tǒng)治世界的程序員，我們可以用我們指間的力量改變世界，但總而言之也要懂一些底層的東西嘛。

　　

程序員編程的本質(zhì)就是讓計算機去工作，而編程語言就是程序員與計算機溝通的介質(zhì)

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程序員要想讓計算機工作，必須知道計算機能干什么，怎么干的，這也就是我們必須學(xué)習(xí)計算機基礎(chǔ)的原因。

　　一套完整的計算機系統(tǒng)分為：計算機硬件，操作系統(tǒng)，軟件（程序員開發(fā)的就是軟件），如下圖。因而我們的python編程之路分為計算機硬件基礎(chǔ)，操作系統(tǒng)基礎(chǔ)，和python編程三部分，就讓我們先從計算機硬件學(xué)起吧！　　好了不說廢話了，一起來學(xué)習(xí)吧！

一編程語言的作用及與操作系統(tǒng)和硬件的關(guān)系

? 編程語言就是程序員與計算機溝通的介質(zhì) 應(yīng)用程序通過操作系統(tǒng)來控制硬件

一臺簡單的計算機可以抽象成CPU、內(nèi)存以及I/O設(shè)備都由一條系統(tǒng)總線（bus）連接起來并通過總線與其他設(shè)備通信

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理解各部分功能的一個簡單的方法是，把計算機各部分組件往人的身上套，比如

cpu是人的大腦，負(fù)責(zé)運算

內(nèi)存是人的記憶，負(fù)責(zé)臨時存儲

硬盤是人的筆記本，負(fù)責(zé)永久存儲

輸入設(shè)備是耳朵或眼睛，負(fù)責(zé)接收外部的信息傳給cpu

輸出設(shè)備是你的表情，負(fù)責(zé)經(jīng)過處理后輸出的結(jié)果

以上所有的設(shè)備都通過總線連接，總線相當(dāng)于人的神經(jīng)

計算機硬件有處理器、存儲器、磁盤、磁帶、總線、

處理器

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二、cpu與寄存器，內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)及如何切換

計算機的大腦cpu，他從內(nèi)存中取指令->解碼->執(zhí)行，然后再取指->解碼->執(zhí)行下一條指令，周而復(fù)始，直至整個程序被執(zhí)行完成。

因為內(nèi)存訪問數(shù)據(jù)的時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于cpu等待指令的時間，所以所有CPU內(nèi)部都有一些用來保存關(guān)鍵變量和臨時數(shù)據(jù)的寄存器 對于開發(fā)人員來說最后一中寄存器最為重要，這個寄存器包含了條碼位(由比較指令設(shè)置)、CPU優(yōu)先級、模式（用戶態(tài)或內(nèi)核態(tài)），以及各種其他控制位。用戶通常讀入整個PSW，但是只對其中少量的字段寫入。在系統(tǒng)調(diào)用和I/O中，PSW非常非常非常非常非常非常重要.

處理器的設(shè)計和改變

1.最開始取值、解碼、執(zhí)行這三個過程是同時進(jìn)行的，這意味著任何一個過程完成都需要等待其余兩個過程執(zhí)行完畢，時間浪費

2.后來被設(shè)計成了流水線式的設(shè)計，即執(zhí)行指令n時，可以對指令n+1解碼，并且可以讀取指令n+2,完全是一套流水線。

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3.超變量cpu，比流水線更加先進(jìn)，有多個執(zhí)行單元，可以同時負(fù)責(zé)不同的事情，比如看片的同時，聽歌，打游戲。

兩個或更多的指令被同時取出、解碼并裝入一個保持緩沖區(qū)中，直至它們都執(zhí)行完畢。只有有一個執(zhí)行單元空閑，就檢查保持緩沖區(qū)是否還有可處理的指令。

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這種設(shè)計存在一種缺陷，即程序的指令經(jīng)常不按照順序執(zhí)行，在多數(shù)情況下，硬件負(fù)責(zé)保證這種運算結(jié)果與順序執(zhí)行的指令時的結(jié)果相同。

　　CPU的兩種工作狀態(tài)

內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)

內(nèi)核態(tài)

　　當(dāng)cpu在內(nèi)核態(tài)運行時，cpu可以執(zhí)行指令集中所有的指令，很明顯，所有的指令中包含了使用硬件的所有功能，（操作系統(tǒng)在內(nèi)核態(tài)下運行，從而可以訪問整個硬件）

用戶態(tài)

　　用戶程序在用戶態(tài)下運行，僅僅只能執(zhí)行cpu整個指令集的一個子集，該子集中不包含操作硬件功能的部分，因此，一般情況下，在用戶態(tài)中有關(guān)I/O和內(nèi)存保護(hù)（操作系統(tǒng)占用的內(nèi)存是受保護(hù)的，不能被別的程序占用），當(dāng)然，在用戶態(tài)下，將PSW中的模式設(shè)置成內(nèi)核態(tài)也是禁止的。

用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)切換

　　用戶態(tài)不能夠直接調(diào)用硬件來進(jìn)行操作，但是生活中總會遇到，比如你點開一個播放器他是如何播放的呢？——用戶程序當(dāng)需要調(diào)用硬件來使用時，通過特定的指令——系統(tǒng)調(diào)用來實現(xiàn)，通過用戶態(tài)轉(zhuǎn)變成內(nèi)核態(tài)來調(diào)用硬件來使用的。

存儲器

　　多線程和多核芯片

三、存儲器系列，L1緩存，L2緩存，內(nèi)存（RAM），EEPROM和閃存，CMOS與BIOS電池

?L1

I.第一步增強：在cpu芯片中加入更大的緩存，一級緩存L1，用和cpu相同的材質(zhì)制成，cpu訪問它沒有時延

II.第二步增強：一個cpu中的處理邏輯增多，intel公司首次提出，稱為多線程（multithreading）或超線程（hyperthreading），對用戶來說一個有兩個線程的cpu就相當(dāng)于兩個cpu，我們后面要學(xué)習(xí)的進(jìn)程和線程的知識就起源于這里，進(jìn)程是資源單位而線程才是cpu的執(zhí)行單位。

多線程運行cpu保持兩個不同的線程狀態(tài)，可以在納秒級的時間內(nèi)來回切換，速度快到你看到的結(jié)果是并發(fā)的，偽并行的，然而多線程不提供真正的并行處理，一個cpu同一時刻只能處理一個進(jìn)程（一個進(jìn)程中至少一個線程）

III.第三步增強：除了多線程，還出現(xiàn)了傲寒2個或者4個完整處理器的cpu芯片，如下圖。要使用這類多核芯片肯定需要有多處理操作系統(tǒng)

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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　以上是兩家主流cpu

計算機中第二重要的就是存儲了，所有人都意淫著存儲：速度快（這樣cpu的等待存儲器的延遲就降低了）+容量大+價錢便宜。然后同時兼?zhèn)淙呤遣豢赡艿?#xff0c;所以有了如下的不同的處理方式

存儲器系統(tǒng)采用如上圖的分層結(jié)構(gòu)，頂層的存儲器速度較高，容量較小，與底層的存儲器相比每位的成本較高，其差別往往是十億數(shù)量級的

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　　寄存器即L1緩存：

用與cpu相同材質(zhì)制造，與cpu一樣快，但價格高昂，不適合大規(guī)模使用

　　高速緩存即L2緩存：

高速緩存L2是一種介于寄存器和內(nèi)存之間的產(chǎn)物，他的速度快于內(nèi)存慢于寄存器，造價適中。

　　緩存是一個好方法，在現(xiàn)代cpu中設(shè)計了兩個緩存，再看4.1中的兩種cpu設(shè)計圖。第一級緩存稱為L1總是在CPU中，通常用來將已經(jīng)解碼的指令調(diào)入cpu的執(zhí)行引擎，對那些頻繁使用的數(shù)據(jù)自，多少芯片還會按照第二L1緩存 。。。另外往往設(shè)計有二級緩存L2，用來存放近來經(jīng)常使用的內(nèi)存字。L1與L2的差別在于對cpu對L1的訪問無時間延遲，而對L2的訪問則有1-2個時鐘周期（即1-2ns）的延遲。

內(nèi)存：

內(nèi)存是計算機必不可少的存儲設(shè)備，他可以運行大于他的軟件，在服務(wù)器中通常還有交換分區(qū)swap，主存的易失性存儲，斷電后保存的數(shù)據(jù)會消失。市面上還有一種內(nèi)存ROM，是一種只讀不易失的，還有EEPROM 電可察rom還有閃存可多次rw的存儲設(shè)備，還有cmos，紐扣電磁，他是存儲主板時間的，一塊可用5-6年。

四、磁盤結(jié)構(gòu)，平均尋道時間，平均延遲時間，虛擬內(nèi)存與MMU

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磁盤低速的原因是因為它一種機械裝置，在磁盤中有一個或多個金屬盤片，它們以5400，7200或10800rpm（RPM?=revolutions per minute 每分鐘多少轉(zhuǎn)?）的速度旋轉(zhuǎn)。從邊緣開始有一個機械臂懸在盤面上，這類似于老式黑膠唱片機上的拾音臂。信息卸載磁盤上的一些列的同心圓上，是一連串的2進(jìn)制位（稱為bit位），為了統(tǒng)計方法，8個bit稱為一個字節(jié)bytes，1024bytes=1k，1024k=1M，1024M=1G,所以我們平時所說的磁盤容量最終指的就是磁盤能寫多少個2進(jìn)制位。

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每個磁頭可以讀取一段換新區(qū)域，稱為磁道

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把一個戈丁手臂位置上所以的磁道合起來，組成一個柱面

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每個磁道劃成若干扇區(qū)，扇區(qū)典型的值是512字節(jié)

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　　數(shù)據(jù)都存放于一段一段的扇區(qū)，即磁道這個圓圈的一小段圓圈，從磁盤讀取一段數(shù)據(jù)需要經(jīng)歷尋道時間和延遲時間

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平均尋道時間

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機械手臂從一個柱面隨機移動到相鄰的柱面的時間成為尋到時間，找到了磁道就以為著招到了數(shù)據(jù)所在的那個圈圈，但是還不知道數(shù)據(jù)具體這個圓圈的具體位置

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平均延遲時間

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機械臂到達(dá)正確的磁道之后還必須等待旋轉(zhuǎn)到數(shù)據(jù)所在的扇區(qū)下，這段時間成為延遲時間

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　　虛擬內(nèi)存：

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許多計算機支持虛擬內(nèi)存機制，該機制使計算機可以運行大于物理內(nèi)存的程序，方法是將正在使用的程序放入內(nèi)存取執(zhí)行，而暫時不需要執(zhí)行的程序放到磁盤的某塊地方，這塊地方成為虛擬內(nèi)存，在linux中成為swap，這種機制的核心在于快速地映射內(nèi)存地址，由cpu中的一個部件負(fù)責(zé)，成為存儲器管理單元(Memory Management Unit MMU)

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PS：從一個程序切換到另外一個程序，成為上下文切換(context switch),緩存和MMU的出現(xiàn)提升了系統(tǒng)的性能，尤其是上下文切換 ?

五、磁帶

磁帶是一種大容量存儲設(shè)備，他價格低廉，存儲量大，是一些企業(yè)容災(zāi)備份的首選，缺點是I/O速度慢。

六、總線

四小節(jié)中的結(jié)構(gòu)在小型計算機中沿用了多年，并也用在早期的IBM PC中。但是隨著處理器和存儲器速度越來越快，單總線很難處理總線的交通流量了，于是出現(xiàn)了下圖的多總線模式，他們處理I/O設(shè)備及cpu到存儲器的速度都更快。

北橋即PCI橋：連接高速設(shè)備

南橋即ISA橋：連接慢速設(shè)備

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六、操作系統(tǒng)啟動流程

下三層設(shè)備啟動流程

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加載bios 讀硬盤第一個扇區(qū)mbr主引導(dǎo)記錄 讀硬盤上的bootloader（最常見的是grub查詢具體位置加載哪段代碼） 啟動kernel? bios--mbr--bootloader(grub常用的)--kernel

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七、應(yīng)用程序啟動流程

上三層設(shè)備啟動流層

　　應(yīng)用層序調(diào)用操作系統(tǒng)，操做系統(tǒng)找到層序所在硬盤，加載到內(nèi)存，內(nèi)存加載到cpu上，應(yīng)用程序 cpu用戶態(tài)，系統(tǒng)調(diào)用到內(nèi)核態(tài) 調(diào)用硬件，完成啟動。

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轉(zhuǎn)載于:https://www.cnblogs.com/DE_LIU/p/7150533.html

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的计算机基础——硬件的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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