計算機硬件

一、為什么要學習計算機基礎 ??

　　程序員編程的本質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。程序員要想讓計算機工作，就要知道計算機能干什么、是怎么樣的一個完成過程，這也是我們必須學習計算機基礎的原因。

　　然而光有編程語言和硬件也并不能滿足大家的編程需求，為什么這么說呢？

　　程序用編程語言寫程序，最終開發出的結果就是一個軟件，既然是軟件，那就與騰訊qq、暴風影音、快播等軟件沒有區別了。這些軟件必須運行在操作系統之上，你肯定會問：為何要有操作系統呢？沒錯，遠古時代的程序員確實是在沒有操作系統的環境下，用編程語言之間操作硬件來編程的，你可能覺得這沒有問題，但其實問題是相當嚴重的，因為此時你必須掌握如何操作硬件的所有具體細節，比如如何具體操作硬盤（現在你得把硬盤拆開，然后你能看見的所有的東西，你都得研究明白，因為你編程時要用到它），這就嚴重影響了開發的效率，操作系統的出現就是運行于硬件之上，來控制硬件的，我們開發時，只需要調用操作系統為我們提供的簡單而優雅的接口就可以了。

　　所以一套完整的計算機系統分為：計算機硬件、操作系統、軟件（程序員開發的就是軟件）。因而我們的python編程之路分為計算機硬件基礎、操作系統基礎和編程語言三部分，就讓我們先從計算機硬件學起吧。

二、計算機硬件介紹 ??

　　從概念上講，一臺簡單的個人計算機可以抽象為類似下圖的模型，CPU、內存以及I/O設備都由一條系統總線（bus）連接起來并通過總線與其他設備通信。

　　現代計算機的結構更復雜，包括多重總線，我們將在后面的小節介紹，此時暫且讓我們以下圖為例來介紹各個部件：

　　

　　了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，負責運算；

　　內存是人的記憶，負責臨時存儲；

　　硬盤是人的筆記本，負責永久存儲；

　　輸入設備是耳朵或眼睛，負責接收外部的信息傳給cpu；

　　輸出設備是你的表情，負責經過處理后輸出的結果；

　　以上所有的設備都通過總線連接，總線相當于人的神經。

　　上課開始，老師講課，學生聽課，老師是程序員，學生是計算機，學生的器官都是計算機各部分組成：

　　1.老師通過學生的眼睛和耳朵將自己的知識/指令傳給學生（輸入）；

　　2.學生在接收知識/指令后，通過自己的神經，將其放入自己的內存/短期記憶（總線、內存）；

　　3.學生的大腦/cpu從短期記憶里取出知識/指令，分析知識/指令，然后學習知識/執行指令 （cpu取指、分析、執行）；

　　4.學生的表情會直接反映出自己是否聽懂，這就是輸出，老師瞅一眼就知道學生有沒有學會（輸出）；

　　5.學生想要永久將知識保存下來，只能拿出一個筆記本，把剛剛學會的知識都寫到本子上，這個本子就是硬盤（磁盤）。

? ? 處理器? ??

?　　計算機的大腦就是CPU，它從內存中取指令->解碼->執行，然后再取指->解碼->執行下一條指令，周而復始，直至整個程序被執行完成。

　　每個cpu都有一套可執行的專門指令集，任何軟件的執行最終都要轉化成cpu的指令去執行。所以Pentium（英特爾第五代x86架構的微處理器）不能執行SPARC（另外一種處理器）的程序。這就好比不同的人腦，對于大多數人類來說，人腦的結構一樣，所以別人會的東西你也都可以會，但對于愛因斯坦的腦子來說，它會的你肯定不會。

　　因訪問內存以得到指令或數據的時間比cpu執行指令花費的時間要長得多，所以，所有CPU內部都有一些用來保存關鍵變量和臨時數據的寄存器，這樣通常在cpu的指令集中專門提供一些指令，用來將一個字（可以理解為數據）從內存調入寄存器，以及將一個字從寄存器存入內存。cpu其他的指令集可以把來自寄存器、內存的操作數據組合，或者用兩者產生一個結果，比如將兩個字相加并把結果存在寄存器或內存中。

　　寄存器的分類：

　　1.用來保存變量和臨時結果的通用寄存器；

　　 2.多數計算機還有一些對程序員課件的專門寄存器，其中之一便是程序計數器，它保存了將要取出的下一條指令的內存地址。在指令取出后，程序計算器就被更新以便執行后期的指令；

　　3.另外一個寄存器便是堆棧指針，它指向內存中當前棧的頂端。該棧包含已經進入但是還沒有退出的每個過程中的一個框架。在一個過程的堆棧框架中保存了有關的輸入參數、局部變量以及那些沒有保存在寄存器中的臨時變量

　　4.最后 一個非常重要的寄存器就是程序狀態字寄存器(Program Status Word,PSW),這個寄存器包含了條碼位(由比較指令設置)、CPU優先級、模式（用戶態或內核態），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。在系統調用和I/O中，PSW特別的重要。

　　寄存器的維護：

　　操作系統必須知曉所有的寄存器。在時間多路復用的CPU中，操作系統會經常中止正在運行的某個程序并啟動（或再次啟動）另一個程序。每次停止一個運行著的程序時，操作系統必須保存所有的寄存器，這樣在稍后該程序被再次運行時，可以把這些寄存器重新裝入。

? ?處理器設計的演變 ??

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

　　2.后來被設計成了流水線式的設計，即執行指令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，有多個執行單元，可以同時負責不同的事情，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中，直至它們都執行完畢。只有有一個執行單元空閑，就檢查保持緩沖區是否還有可處理的指令。

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　　這種設計存在一種缺陷，即程序的指令經常不按照順序執行，在多數情況下，硬件負責保證這種運算結果與順序執行的指令時的結果相同。

? ?內核態與用戶態 ??

　　除了在嵌入式系統中的非常簡答的CPU之外，多數CPU都有兩種模式，即內核態與用戶態。

　　通常，PSW中有一個二進制位控制這兩種模式。

　　內核態：當cpu在內核態運行時，cpu可以執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，（操作系統在內核態下運行，從而可以訪問整個硬件）。

　　用戶態：用戶程序在用戶態下運行，僅僅只能執行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，在用戶態中有關I/O和內存保護（操作系統占用的內存是受保護的，不能被別的程序占用），當然，在用戶態下，將PSW中的模式設置成內核態也是禁止的。

? ?內核態與用戶態切換 ??　 　

　　用戶態下工作的軟件不能操作硬件，但是我們的軟件比如暴風影音，一定會有操作硬件的需求，比如從磁盤上讀一個電影文件，那就必須經歷從用戶態切換到內核態的過程，為此，用戶程序必須使用系統調用（system call），系統調用陷入內核并調用操作系統，TRAP指令把用戶態切換成內核態，并啟用操作系統從而獲得服務。

　　把的系統調用看成一個特別的的過程調用指令就可以了，該指令具有從用戶態切換到內核態的特別能力。

? ? 異常處理 ? ?

　　需要強調的是，計算機使用TRAP來執行系統調用，多數的TRAP是由硬件引起的，用于警告有異常情況發生，如試圖1/0等操作。在所有的情況下，操作系統都得到控制權并決定如何處理異常情況，有時，由于出錯的原因，程序不得不停止。在其他的情況下可以忽略出錯，如果程序已經提前宣布它希望處理某類異常時，那么控制權還必須返回給程序，讓其處理相關的問題。

? ?多線程和多核芯片 ??

　　moore定律指出，芯片中的晶體管數量每18個月翻一倍，隨著晶體管數量的增多，更強大的功能稱為了可能，如

　　1.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相同的材質制成，cpu訪問它沒有時延

　　2.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就相當于兩個cpu，我們后面要學習的進程和線程的知識就起源于這里，進程是資源單位而線程才是cpu的執行單位。

　　多線程運行cpu保持兩個不同的線程狀態，可以在納秒級的時間內來回切換，速度快到你看到的結果是并發的，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程（一個進程中至少一個線程）

　　3.第三步增強：除了多線程，還出現了傲寒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

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? ?存儲器 ??

　　計算機中第二重要的就是存儲了，所有人都希望存儲能夠：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。然后同時兼備三者是不可能的，所以有了如下的不同的處理方式：

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　　存儲器系統采用如上圖的分層結構，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量級的。

? ??寄存器即L1緩存 ??

　　用與cpu相同材質制造，與cpu一樣快，因而cpu訪問它無時延，典型容量是：在32位cpu中為32*32，在64位cpu中為64*64，在兩種情況下容量均<1KB。

? ?高速緩存即L2緩存 ??

　　主要由硬件控制高速緩存的存取，內存中有高速緩存行按照0~64字節為行0，64~127為行1......最常用的高速緩存行放置在cpu內部或者非常接近cpu的高速緩存中。當某個程序需要讀一個存儲字時，高速緩存硬件檢查所需要的高速緩存行是否在高速緩存中。如果是，則稱為高速緩存命中，緩存滿足了請求，就不需要通過總線把訪問請求送往主存(內存)，這畢竟是慢的。高速緩存的命中通常需要兩個時鐘周期。高速緩存為命中，就必須訪問內存，這需要付出大量的時間代價。由于高速緩存價格昂貴，所以其大小有限，有些機器具有兩級甚至三級高速緩存，每一級高速緩存比前一級慢但是容易大。

　　緩存在計算機科學的許多領域中起著重要的作用，并不僅僅只是RAM（隨機存取存儲器）的緩存行。只要存在大量的資源可以劃分為小的部分，那么這些資源中的某些部分肯定會比其他部分更頻發地得到使用，此時用緩存可以帶來性能上的提升。一個典型的例子就是操作系統一直在使用緩存，比如，多數操作系統在內存中保留頻繁使用的文件（的一部分），以避免從磁盤中重復地調用這些文件，類似的/root/a/b/c/d/e/f/a.txt的長路徑名轉換成該文件所在的磁盤地址的結果然后放入緩存，可以避免重復尋找地址，還有一個web頁面的url地址轉換為網絡地址(IP)地址后，這個轉換結果也可以緩存起來供將來使用。

　　緩存是一個好方法，在現代cpu中設計了兩個緩存，再看4.1中的兩種cpu設計圖。第一級緩存稱為L1總是在CPU中，通常用來將已經解碼的指令調入cpu的執行引擎，對那些頻繁使用的數據自，多少芯片還會按照第二L1緩存 。。。另外往往設計有二級緩存L2，用來存放近來經常使用的內存字。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。

? ?內存 ??

　　再往下一層是主存，此乃存儲器系統的主力，主存通常稱為隨機訪問存儲RAM，就是我們通常所說的內存，容量一直在不斷攀升，所有不能再高速緩存中找到的，都會到主存中找，主存是易失性存儲，斷電后數據全部消失。

　　除了主存RAM之外，許多計算機已經在使用少量的非易失性隨機訪問存儲如ROM（Read Only Memory，ROM），在電源切斷之后，非易失性存儲的內容并不會丟失，ROM只讀存儲器在工廠中就被編程完畢，然后再也不能修改。ROM速度快且便宜，在有些計算機中，用于啟動計算機的引導加載模塊就存放在ROM中，另外一些I/O卡也采用ROM處理底層設備的控制。

　　EEPROM（Electrically Erasable PROM，電可擦除可編程ROM）和閃存（flash memory）也是非易失性的，但是與ROM相反，他們可以擦除和重寫。不過重寫時花費的時間比寫入RAM要多。在便攜式電子設備中中，閃存通常作為存儲媒介。閃存是數碼相機中的膠卷，是便攜式音譯播放器的磁盤，還應用于固態硬盤。閃存在速度上介于RAM和磁盤之間，但與磁盤不同的是，閃存擦除的次數過多，就被磨損了。

?　　還有一類存儲器就是CMOS，它是易失性的，許多計算機利用CMOS存儲器來保持當前時間和日期。CMOS存儲器和遞增時間的電路由一小塊電池驅動，所以，即使計算機沒有加電，時間也仍然可以正確地更新，除此之外CMOS還可以保存配置的參數，比如，哪一個是啟動磁盤等，之所以采用CMOS是因為它耗電非常少，一塊工廠原裝電池往往能使用若干年，但是當電池失效時，相關的配置和時間等都將丟失。

? ?磁盤 ??

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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?）的速度旋轉。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進制位（稱為bit位），為了統計方法，8個bit稱為一個字節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進制位。

　　每個磁頭可以讀取一段換新區域，稱為磁道

　　把一個戈丁手臂位置上所以的磁道合起來，組成一個柱面

　　每個磁道劃成若干扇區，扇區典型的值是512字節

　　數據都存放于一段一段的扇區，即磁道這個圓圈的一小段圓圈，從磁盤讀取一段數據需要經歷尋道時間和延遲時間。

? ? 平均尋道時間 ??

　　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據所在的那個圈圈，但是還不知道數據具體這個圓圈的具體位置

? ?平均延遲時間 ??

　　機械臂到達正確的磁道之后還必須等待旋轉到數據所在的扇區下，這段時間成為延遲時間

? ?虛擬內存 ??

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

?　　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的出現提升了系統的性能，尤其是上下文切換。

? ??磁帶 ??

　　在價錢相同的情況下比硬盤擁有更高的存儲容量，雖然速度低于磁盤，但是因其大容量，在地震水災火災時可移動性強等特性，常被用來做備份。（常見于大型數據庫系統中）

? ?I/O設備 ??

　　cpu和存儲器并不是操作系統唯一需要管理的資源，I/O設備也是非常重要的一環。

　　I/O設備一般包括兩個部分：設備控制器和設備本身。

　　控制器：是查找主板上的一塊芯片或一組芯片（硬盤，網卡，聲卡等都需要插到一個口上，這個口連的便是控制器），控制器負責控制連接的設備，它從操作系統接收命令，比如讀硬盤數據，然后就對硬盤設備發起讀請求來讀出內容。

　　控制器的功能：通常情況下對設備的控制是非常復雜和具體的，控制器的任務就是為操作系統屏蔽這些復雜而具體的工作，提供給操作系統一個簡單而清晰的接口。

　　設備本身：有相對簡單的接口且標準的，這樣大家都可以為其編寫驅動程序了。要想調用設備，必須根據該接口編寫復雜而具體的程序，于是有了控制器提供設備驅動接口給操作系統。必須把設備驅動程序安裝到操作系統中。

? ?總線 ??

　　四小節中的結構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，于是出現了下圖的多總線模式，他們處理I/O設備及cpu到存儲器的速度都更快。

　　北橋即PCI橋：連接高速設備；南橋即ISA橋：連接慢速設備。

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? ?啟動計算機 ??

　　在計算機的主板上有一個基本的輸入輸出程序（Basic ?Input Output system)；BIOS就相當于一個小的操作系統，它有底層的I/O軟件，包括讀鍵盤，寫屏幕，進行磁盤I/O,該程序存放于一非易失性閃存RAM中。

　　啟動流程

　　1.計算機加電； ??

　　2.BIOS開始運行，檢測硬件：cpu、內存、硬盤等； ?

　　3.BIOS讀取CMOS存儲器中的參數，選擇啟動設備； ?

　　4.從啟動設備上讀取第一個扇區的內容（MBR主引導記錄512字節，前446為引導信息，后64為分區信息，最后兩個為標志位）； ?

　　5.根據分區信息讀入bootloader啟動裝載模塊，啟動操作系統； ?6.然后操作系統詢問BIOS，以獲得配置信息。對于每種設備，系統會檢查其設備驅動程序是否存在，如果沒有，系統則會要求用戶按照設備驅動程序。一旦有了全部的設備驅動程序，操作系統就將它們調入內核。然后初始有關的表格（如進程表），穿件需要的進程，并在每個終端上啟動登錄程序或GUI。

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參考文檔：http://www.cnblogs.com/linhaifeng/p/6523843.html