计算机基础-白红宇

计算机基础

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发布时间：2019-05-09

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全世界都有各国的语言，各地的方言，而计算机也有很多的编程语言。

编程语言就是程序员让计算机解决问题的工具，例如程序员想要让计算机干一件特定的事情，那这个时候就得先了解计算机其中的原理。

计算机硬件介绍：

计算机硬件包括:CPU\硬盘\内存\输入输出设备, 这些设备都通过总线连接，总线就相当人的大脑神经。

CPU：

CPU=大脑：从内存中取指令→解码→执行，一直反复执行这一过程，直到整个程序执行完成。

每个CPU都有自己的指令集，相当于每个人的大脑结构都一样，但是每个人会的事情也不一样。

寄存器：在访问内存得到指令或数据的时间比CPU执行指令的时间要长，所以，CPU内部都有一些用来保存关键变量和临时数据的寄存器。将一个字（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的一些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，例如将两个字相加将结果存在寄存器中。

寄存器的分类：

通用寄存器：存储变量和临时结果

程序计算器：它保存了将要取出的下一条指令的内存地址。取出指令后，程序计算器就被更新以便执行后期的指令。

堆栈指针：也是一种寄存器，堆栈指针的规则是“先进后出”，先进去的后出来，举个例子，有一个箱子，刚刚好可以放下一本书的大小，有语文、数学、英语、化学，先将语文放去，然后数学、英语、化学。

那么在出栈的时候，最先出来的是化学、英语、数学、语文。跟进去的顺序相反，这就是“先进后出”的原则。

程序状态字寄存器（Program Status Word , PSW）: 这个寄存器包含了条码位，CPU优先级、模式（用户态或内核态），及其它各种控制位。用户通常读入整个PSW，但是只对其中少量的字段写入。

####用户态与内核态：

CPU划分出来的两个权限等级，限制不同的程序之间的切换。所有用户程序的运行都是在用户态的，但是有时候程序需要做一些内核态的事情，像硬盘读取数据。

内核态：操作系统在内核态下运行，可以访问整个硬件

用户态：只能受限的访问内存，且不允许访问外围设备。

例子：

打开一个播放器，这个时候是在用户态的，如果播放某一个视频文件，这个时候需要读取硬盘的视频文件，这一个过程需要访问硬盘，用户程序会使用系统调用（system call）,就会切换到内核态。

#多线程和多核芯片

多核、多处理器系统中的每颗处理器（每个核），同时间内可以执行各自不同的行程（或线程）

一级缓存：在CPU芯片中加入更大的缓存，用和CPU相同的材质制成，CPU访问它没有时延

二级缓存：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，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，然而多纯种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）

第三步增强：除了多线程，还出现了2个或者4个完整处理器的CPU芯片。

存储器：

计算机中第二重要的是存储，大家都想存储：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：

主要由硬件控制调整缓存的存取，内在中有调整缓存行按照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的调整缓存中。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调整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），这还是慢的，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，需要付出大量的时间代价。由于高速缓存价格昂贵，所以其在小有限，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。

缓存不仅仅是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，这些资源就会比其他部分更频发的得到使用。这个时候就用缓存可以带来性能上的提升。

缓存是很好的方法，现代CPU中设计了两个缓存，第一级缓存称为L1总是在CPU中，常用来将已解码的指令调入CPU的执行引擎。

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。L1与L2的差别在于对CPU对L1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在，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储在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) 和闪存（Flash memory）也是非失性的，但是与ROM 相反，他们可以擦除和重写。不过花费的时间比写入RAM要多。与磁盘不同的是闪存擦除的次数过多，就被磨损了。

CMOS存储器，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，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是一种机械装置，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 每分钟的转速)。硬盘有一根机械臂在盘面上，类似于老式黑胶唱片机上的拾音臂。信息卸载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是磁盘能写多少2进制。

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时间成为寻到时间，找到了磁盘就以为找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在机制，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去执行，而暂时不需要执行的程序放到磁盘的某块地方，这块地方称为虚拟内存，在linux中称为swap,这种机制的核心在于快速的映射内存地址，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，尤其是上下切换。

磁带：

在价钱相同的情况下比硬盘更高存储容量，但是速度低于磁盘，但是因为其大容量，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，声卡等都要插到一个口上，这个就是连接控制器的），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具体的工作，提供给操作系统一个接口。

设备本身：有相对简单的接口且标准，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：

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