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计算机体系结构.md

File metadata and controls

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计算机体系结构

计算机体系结构：

  1. CPU：
  • 运算器（下面以最基础的加法器为例，包括加数和被加数）
    • 程序=指令+数据（指令会告诉CPU在存储器的哪一个存储单元放的是加数，哪个是被加数）
    • 因为每条线路只能输入加数或被加数，所以引入线路复用概念；CPU上有控制位，数值为1的为指令，数值为0的为数据。
    • 但是如果只用一组线来传输数据（加数和被加数），则当加数传入时必须要将之前的被加数暂存，然后再接受数据，所以就引入了寄存器的概念。
  • 控制器：协调运算器到存储器的哪个存储单元读取数据（获取控制指令的线即控制总线）
  • 寄存器：暂存数据
  1. 存储器：即内存，平面编址存储设备，每一个存储单元在全局上有唯一的地址，用数字进行引用，把磁信号转换成电信号，不仅存放了数据还有指令。

存储器

  1. 输出设备
  2. 输入设备

一些概念：

  • 上电自检：（POST:Power-On-Self-Test）

是BIOS功能的一个主要部分。它负责完成对CPU、主板、内存、软硬盘子系统、显示子系统（包括显示缓存）、串并行接口、键盘、CD-ROM光驱等的检测。

上电自检的过程

主板在接通电源后，系统首先由(Power On Self Test,上电自检)程序来对内部各个设备进行检查。在我们按下起动键（电源开关）时，系统的控制权就交由BIOS来完成，由于此时电压还不稳定，主板控制芯片组会向CPU发出并保持一个RESET(重置)信号，让CPU初始化，同时等待电源发出的POWER GOOD信号(电源准备好信号)。当电源开始稳定供电后(当然从不稳定到稳定的过程也只是短暂的瞬间)，芯片组便撤去RESET信号(如果是手动按下计算机面板上的Reset按钮来重启机器，那么松开该按钮时芯片组就会撤去RESET信号)，CPU马上就从地址FFFF0H处开始执行指令，这个地址在系统BIOS的地址范围内，无论是Award BIOS还是AMI BIOS，放在这里的只是一条跳转指令，跳到系统BIOS中真正的启动代码处。系统BIOS的启动代码首先要做的事情就是进行POST(Power On Self Test，加电自检)，由于电脑的硬件设备很多（包括存储器、中断、扩展卡），因此要检测这些设备的工作状态是否正常。

  • 为什么用二进制？ 因为只需有电（1）和无电（0），很精确。

  • RAM 随机存取存储器（random access memory，RAM）又称作“随机存储器”，是与CPU直接交换数据的内部存储器，也叫主存(内存)。它可以随时读写，而且速度很快，通常作为操作系统或其他正在运行中的程序的临时数据存储媒介。 存储单元的内容可按需随意取出或存入，且存取的速度与存储单元的位置无关的存储器。这种存储器在断电时将丢失其存储内容，故主要用于存储短时间使用的程序。

  • ROM 只读存储器，存储一堆指令，然后映射到内存（内存最开始一段）中，控制器读取指令以进行加电自检。

  • 外围设备（I/O） 通过interrupt来与CPU进行交互。CPU针脚相连一个中断控制器，与I/O设备相连，进而了解是哪个设备发生了中断。

  • 北桥 北桥（离CPU近）高速总线，快速进行数据交换，现在内存直接与CPU相连，提高了速度。北桥与南桥相连以及其他总线的控制。对于文件服务器而言，比如web服务器，将固态硬盘直接与北桥相连以完成磁盘I/O。

  • 南桥 低速总线，外围设备（I/O）连到南桥，先汇总到北桥，由北桥再传输到CPU。

  • 主频 CPU线路开关闭合的速度，一次数据的调制。

  • CPU的速度快，而内存的速度慢，怎么协调？ 引入缓存，以承上启下，缓存数字越小离CPU越近，速度越快，造价越高，主频高性能不一定好，因为内存速度制约了，缓存大，性能好。

    • 缓存工作的原则：程序局部性原理
      • 时间局部性原理：刚访问过的访问快
      • 空间局部性原理：离刚访问过数据近的数据访问快

  • 高级语言是如何被计算机执行的？

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机器语言（二进制）-> 编译器（让机器理解，转换为机器语言）->微码（汇编语言，根据芯片不同开发，人类自然语言能表达）与硬件结合非常紧密 （低级语言） 高级语言：要先转换为汇编再转换为对应芯片上的机器语言，需要额外机制（API，不同CPU用汇编语言写的有相同功能的程序，相当于将底层芯片用软件的形式抽象出来，使两种不同的硬件平台用软件抽象出来的环境是相同的，抽象出来的环境即API）来弥合各种硬件的不同。

  • 多任务系统 计算机运行的过程称为jobs，作业和作业之间用分隔符隔开，一个完成自动加载下一个即为批处理系统，因为此时内存只有一段，所以一次只能运行一个程序。那么多个程序如何运行呢？ 多任务系统：希望可以将CPU、内存切割。即两个任务交替进行，由于CPU按照时间运行，可以将其划分为多个slice（比如第一个任务5ms第二个任务5ms，然后反复交替）（操作系统来监视这些程序运行，给你5ms就是5ms，负责管理硬件资源，将其切割成多个片，分配给不同的程序，内存分多个段。并将他们协调。操作系统还负责一个程序的启动、终止和回收，程序的切换等工作，这是其是一个运行的实例，称之为进程）；内存中则引入分段机制（第一段和第二段，有着相对的地址），不同的主机有不同的内存怎么分配？引入虚拟地址空间，比如32位系统（地址总线只有32位，最多引用2^32个地址即4G，所以32位系统最多使用4G物理内存，是由总线宽度决定的）就分配4G内存

  • 库 简而言之，就是一堆程序，只提供调用接口自己不能独立执行只能被调用执行，但是它在执行的时候可以提供一个统一的调用（call）机制。 Windows 中的dll（dynamic link library，动态链接库）即为库文件。在Linux相应的为.so（shared object，共享对象，或是.dso，dynamic shared object）为后缀。

  • Kernel（内核） 通过 System call 系统调用（底层，相当于买馒头给了你一袋子小麦，你可以做包子馒头等等）来实现统一接口。有了操作系统（内核）以后任何程序都不能直接和硬件打交道，必须要通过操作系统（内核）来进行协调。由于系统调用过于底层，就将其再次封装起来，使其功能更加强大（直接给你馒头，不需要自己将小麦加工成面粉，和面等），这种更高级的接口就是库（API，application program interface）。所以程序员写程序直接通过库来写就行，调用其功能来开发程序（没必要“造轮子”）。

结构

  • 内核的功能：
  1. 进程管理
  2. 内存管理
  3. 提供文件系统
  4. 提供网络功能
  5. 提供硬件驱动
  6. 提供安全机制