计算机组成原理基础

语言是用来沟通的，程序员与计算机进行沟通就需要通过编程语言进行沟通。编程语言并不能直接操纵硬件，而是运行在操作系统上，由操作系统对硬件进行控制。

1、计算机的组成

一个完整的计算机系统包括:计算机硬件、操作系统、用户软件

1.1计算机硬件

计算机是由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备组成的，它们都通过总线进行连接通信。

1.2 处理器

处理器包含运算器和控制器，运算器负责算数运算，控制器负责逻辑运算

1.2.1 CPU 内存磁盘

当有任务要处理的时候，存放在磁盘上的文件首先存到内存中，CPU到内存中去取数据

1.2.2 CPU寄存器

CPU的寄存器是由操作系统控制的，有以下分类：

通用寄存器：保存变量和临时结果
程序计数器寄存器：保存了将要取出的下一条指令的内存地址，这个就是中断的概念，CPU通过快速切换让我们觉得很多任务同时进行，实际CPU同一时刻只能处理一件事。
堆栈指针寄存器：堆栈是先进后出
程序状态字寄存器：该寄存器能控制CPU的优先级，模式（用户态和内核态），非常重要。

1.2.3 用户态内核态

用户态：当用户程序运行时，CPU处于用户态，此时的内核态时完全禁止的内核态：CPU内部有指令集，操作系统的指令都要转化成CPU指令执行，当CPU处于内核态时，操作系统对CPU具有完全的控制权

1.2.4 用户态和内核态的切换

用户态不能操作硬件，当用户程序运行的时候，程序想要控制硬件就需要由用户态切换到内核态，用户程序必须使用系统调用，系统调用陷入内核并调用操作系统，通过指令把用户态切换成内核态，并启用操作系统从而获得服务。

可以用0和1两种状体表示内核态和用户态，psw中有相应的二进制位可以控制内核态：操作系统的CPU状态 1 用户态：用户程序的CPU状态 0

1.3 存储器

一级缓存L1：CPU内部的存储器，称作寄存器，采用的是与CPU相同材质制作的，访问速度快，无延迟
二级缓存L2：内存中有高速缓存行按照0-64字节为行0,64-127字节为行2，...依次类推，最常用的程序通常存放在高速缓存行中，当程序读取一个存储字时，高速缓存硬件检查所需要的高速缓存行是否在高速缓存中。如果是，则称为高速缓存命中，否则称为高速缓存未命中，那么就必须访问内存。
内存RAM:RAM是随机存储器，断电后数据丢失
EEPROM：Electrically Erasable PROM，电可擦除可编程ROM
闪存：flash通常作为便携存储设备，固态硬盘，但是读写次数是有限的
CMOS：在计算机中通常作为电脑主板上保存时间和日期，还可以保存电脑的配置参数

1.4 磁盘

1.4.1 磁盘的结构磁道：磁盘上的信息是存储在一系列的同心圆上，磁头能够读取的区域成为磁道。柱面：磁盘的上下两面都是可以读写的，柱面就是磁盘相同位置上磁道的集合扇区：磁道上的一段512字节的区域，是最小的读写单位块block：8个扇区是一个block，4字节

1.4.2 平均寻道时间接收到系统指令后，磁头从开始移动至数据所在磁道花费的平均时间，体现了硬盘读取数据的能力。

1.4.3 平均延迟时间机械手臂到达数据所在的磁道后还需要旋转到数据所在的扇区，这段时间是平均延迟时间

1.1.4虚拟内存与MMU

虚拟内存可以支持计算机运行高于物理内存的程序，通常会在磁盘选择一个区域作为虚拟内存空间。程序运行时首先把重要的文件读入内存，暂时不需要的文件磁盘的虚拟内存区域，当需要的时候再读入内存

MMU：CPU中负责快速映射内存和虚拟内存的管理单元，称为存储器管理单元

1.4.5 磁带：磁带的存储速速低，但是存储容量大，可移动性强，通常在大型数据库中用作备份

1.5 I/O设备驱动和控制器

控制器：输入输出设备在主板上所有相应的控制芯片，负责控制连接的设备设备驱动：设备厂商制定了统一的接口，并会为不同的系统编写相应的驱动程序，这些驱动程序就保存在控制器中

1.6 总线

是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线

PCI桥，即北桥，是连接CPU和内存这些高速设备的 ISA桥，即南桥，是连接低速设备的

2 计算机启动流程

计算机主板上有一个基本输入输出程序BIOS，BIOS相当于一个简单的操作系统，程序存储在CMOS中，计算机上电后，就是读取它。

计算机的启动流程分成四个阶段：

第一阶段：BIOS

2.1 硬件自检

上电后BISO程序进行硬件检查，判断计算机硬件能否满足运行的基本条件，如果硬件出现问题，主板会发出不同含义的蜂鸣，启动中止。如果没有问题，屏幕就会显示出CPU、内存、硬盘等信息。

2.2 启动顺序

硬件自检完成后，BIOS把控制权转交给下一阶段的启动程序。这时，BIOS需要知道，"下一阶段的启动程序"具体存放在哪一个设备。也就是说，BIOS需要有一个外部储存设备的排序，排在前面的设备就是优先转交控制权的设备。

第二阶段：主引导记录

计算机读取该设备的第一个扇区，也就是读取最前面的512个字节。如果这512个字节的最后两个字节是0x55和0xAA，表明这个设备可以用于启动；如果不是，表明设备不能用于启动，控制权于是被转交给"启动顺序"中的下一个设备。这最前面的512个字节，就叫做"主引导记录"（Master boot record，缩写为MBR）。

2.3 主引导记录的结构

"主引导记录"512个字节,它的主要作用是，告诉计算机到硬盘的哪一个位置去哪个分区找操作系统。

主引导记录由三个部分组成：

第1-446字节：调用操作系统的机器码。
第447-510字节：分区表（Partition table）。
第511-512字节：主引导记录签名（0x55和0xAA）。

2.4 分区表

硬盘分区有很多好处。考虑到每个区可以安装不同的操作系统，"主引导记录"因此必须知道将控制权转交给哪个区。

第三阶段：硬盘启动

根据分区信息读入bootloader启动装载模块，启动操作系统

第四阶段：操作系统

控制权转交给操作系统后，操作系统的内核首先被载入内存。然后操作系统询问BIOS，以获得配置信息。对于每种设备，系统会检查其设备驱动程序是否存在，如果没有，系统则会要求用户按照设备驱动程序。一旦有了全部的设备驱动程序，操作系统就将它们调入内核。然后初始有关的表格（如进程表），穿件需要的进程，并在每个终端上启动登录程序或GUI，等待用户输入用户名和密码

3 软件启动流程

当用户软件启动时，此时处于用户态，用户程序向操作系统发送指令，程序需要操作硬盘则需要进入内核态，用户程序必须使用系统调用，系统调用陷入内核并调用操作系统，通过指令把用户态切换成内核态，并启用操作系统从而获得服务。

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