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(jì)算機(jī)去工作，而編程語言就是程序員與計(jì)算機(jī)溝通的介質(zhì)

?

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

　　一套完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分為：計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(tái)簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)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

?

?

?

理解各部分功能的一個(gè)簡(jiǎn)單的方法是，把計(jì)算機(jī)各部分組件往人的身上套，比如

cpu是人的大腦，負(fù)責(zé)運(yùn)算

內(nèi)存是人的記憶，負(fù)責(zé)臨時(shí)存儲(chǔ)

硬盤是人的筆記本，負(fù)責(zé)永久存儲(chǔ)

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(jì)算機(jī)硬件有處理器、存儲(chǔ)器、磁盤、磁帶、總線、

處理器

?

二、cpu與寄存器，內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)及如何切換

計(jì)算機(jī)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(gè)程序被執(zhí)行完成。

因?yàn)閮?nèi)存訪問數(shù)據(jù)的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于cpu等待指令的時(shí)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(shí)數(shù)據(jù)的寄存器 對(duì)于開發(fā)人員來說最后一中寄存器最為重要，這個(gè)寄存器包含了條碼位(由比較指令設(shè)置)、CPU優(yōu)先級(jí)、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(gè)PSW，但是只對(duì)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(jì)和改變

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

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

??

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

兩個(gè)或更多的指令被同時(shí)取出、解碼并裝入一個(gè)保持緩沖區(qū)中，直至它們都執(zhí)行完畢。只有有一個(gè)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。

??

這種設(shè)計(jì)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(yùn)算結(jié)果與順序執(zhí)行的指令時(shí)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(yùn)行時(shí)，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(yùn)行，從而可以訪問整個(gè)硬件）

用戶態(tài)

　　用戶程序在用戶態(tài)下運(yùn)行，僅僅只能執(zhí)行cpu整個(gè)指令集的一個(gè)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(huì)遇到，比如你點(diǎn)開一個(gè)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(shí)，通過特定的指令——系統(tǒng)調(diào)用來實(shí)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(chǔ)器

　　多線程和多核芯片

三、存儲(chǔ)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(qiáng)：在cpu芯片中加入更大的緩存，一級(jí)緩存L1，用和cpu相同的材質(zhì)制成，cpu訪問它沒有時(shí)延

II.第二步增強(qiáng)：一個(gè)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(duì)用戶來說一個(gè)有兩個(gè)線程的cpu就相當(dāng)于兩個(gè)cpu，我們后面要學(xué)習(xí)的進(jìn)程和線程的知識(shí)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(yùn)行cpu保持兩個(gè)不同的線程狀態(tài)，可以在納秒級(jí)的時(shí)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(gè)cpu同一時(shí)刻只能處理一個(gè)進(jìn)程（一個(gè)進(jìn)程中至少一個(gè)線程）

III.第三步增強(qiáng)：除了多線程，還出現(xiàn)了傲寒2個(gè)或者4個(gè)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)

????????????????????????????????

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　以上是兩家主流cpu

計(jì)算機(jī)中第二重要的就是存儲(chǔ)了，所有人都意淫著存儲(chǔ)：速度快（這樣cpu的等待存儲(chǔ)器的延遲就降低了）+容量大+價(jià)錢便宜。然后同時(shí)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(chǔ)器系統(tǒng)采用如上圖的分層結(jié)構(gòu)，頂層的存儲(chǔ)器速度較高，容量較小，與底層的存儲(chǔ)器相比每位的成本較高，其差別往往是十億數(shù)量級(jí)的

?

　　寄存器即L1緩存：

用與cpu相同材質(zhì)制造，與cpu一樣快，但價(jià)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(jià)適中。

　　緩存是一個(gè)好方法，在現(xiàn)代cpu中設(shè)計(jì)了兩個(gè)緩存，再看4.1中的兩種cpu設(shè)計(jì)圖。第一級(jí)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(duì)那些頻繁使用的數(shù)據(jù)自，多少芯片還會(huì)按照第二L1緩存 。。。另外往往設(shè)計(jì)有二級(jí)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(duì)cpu對(duì)L1的訪問無時(shí)間延遲，而對(duì)L2的訪問則有1-2個(gè)時(shí)鐘周期（即1-2ns）的延遲。

內(nèi)存：

內(nèi)存是計(jì)算機(jī)必不可少的存儲(chǔ)設(shè)備，他可以運(yùn)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(chǔ)，斷電后保存的數(shù)據(jù)會(huì)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(chǔ)設(shè)備，還有cmos，紐扣電磁，他是存儲(chǔ)主板時(shí)間的，一塊可用5-6年。

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

????????????????????????????????????

?

?

磁盤低速的原因是因?yàn)樗环N機(jī)械裝置，在磁盤中有一個(gè)或多個(gè)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(gè)機(jī)械臂懸在盤面上，這類似于老式黑膠唱片機(jī)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(jì)方法，8個(gè)bit稱為一個(gè)字節(jié)bytes，1024bytes=1k，1024k=1M，1024M=1G,所以我們平時(shí)所說的磁盤容量最終指的就是磁盤能寫多少個(gè)2進(jìn)制位。

?

每個(gè)磁頭可以讀取一段換新區(qū)域，稱為磁道

?

把一個(gè)戈丁手臂位置上所以的磁道合起來，組成一個(gè)柱面

?

每個(gè)磁道劃成若干扇區(qū)，扇區(qū)典型的值是512字節(jié)

?

　　數(shù)據(jù)都存放于一段一段的扇區(qū)，即磁道這個(gè)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(shí)間和延遲時(shí)間

?

平均尋道時(shí)間

?

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

?

平均延遲時(shí)間

?

機(jī)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(shí)間成為延遲時(shí)間

?

?

?

?

?

　　虛擬內(nèi)存：

?

許多計(jì)算機(jī)支持虛擬內(nèi)存機(jī)制，該機(jī)制使計(jì)算機(jī)可以運(yùn)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(shí)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(jī)制的核心在于快速地映射內(nèi)存地址，由cpu中的一個(gè)部件負(fù)責(zé)，成為存儲(chǔ)器管理單元(Memory Management Unit MMU)

?

?

?

PS：從一個(gè)程序切換到另外一個(gè)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(chǔ)設(shè)備，他價(jià)格低廉，存儲(chǔ)量大，是一些企業(yè)容災(zāi)備份的首選，缺點(diǎn)是I/O速度慢。

六、總線

四小節(jié)中的結(jié)構(gòu)在小型計(jì)算機(jī)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(chǔ)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(chǔ)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

????????????????????????????????????????????????????????????????

六、操作系統(tǒng)啟動(dòng)流程

下三層設(shè)備啟動(dòng)流程

?

加載bios 讀硬盤第一個(gè)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(dòng)kernel? bios--mbr--bootloader(grub常用的)--kernel

?

七、應(yīng)用程序啟動(dòng)流程

上三層設(shè)備啟動(dòng)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(dòng)。

?

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?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。