綜合上面所說的，我們會(huì)知道其實(shí)計(jì)算機(jī)是由：輸入單元、輸出單元、CPU（控制單元、算術(shù)邏輯單元）與主存儲(chǔ)器五大單元構(gòu)成的。也可以說CPU+輸入輸出+主存儲(chǔ)器構(gòu)成了電子計(jì)算機(jī)的三大核心組件，相關(guān)性如下圖：

       在超大規(guī)模集成電路構(gòu)成的微型計(jì)算機(jī)中，往往將CPU制成一塊具有特定功能的芯片，稱為微處理器，芯片里邊有編寫好的微指令集,我們?cè)谥鳈C(jī)上的所有操作或者說任何軟件的執(zhí)行最終都要轉(zhuǎn)化成cpu的指令去執(zhí)行,如輸入輸出，閱讀，視頻，上網(wǎng)等這些都要參考CPU是否內(nèi)置有相關(guān)微指令集才行。如果沒有那么CPU無法處理這些操作。不同的CPU指令集不同對(duì)應(yīng)的功能也不同，這就好比不同的人腦，對(duì)于大多數(shù)人類來說，人腦的結(jié)構(gòu)一樣，但是大家的智商都有差別。

       那么目前世界上的主流CPU由那些呢？我們筆記本上貼的Intel、AMD是怎么回事呢？下面我們來認(rèn)識(shí)一下；

View Code

了解寄存器

　　處理器設(shè)計(jì)的演變

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。

　　內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)

CPU的兩種工作狀態(tài)：內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)

　　多線程和多核芯片

moore定律指出，芯片中的晶體管數(shù)量每18個(gè)月翻一倍，隨著晶體管數(shù)量的增多，更強(qiáng)大的功能稱為了可能，如

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)

4.2 存儲(chǔ)器

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?，所以有了如下的不同的處理方?/p>

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，因而cpu訪問它無時(shí)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(nèi)存中有高速緩存行按照0~64字節(jié)為行0，64~127為行1。。。最常用的高速緩存行放置在cpu內(nèi)部或者非常接近c(diǎn)pu的高速緩存中。當(dāng)某個(gè)程序需要讀一個(gè)存儲(chǔ)字時(shí)，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(qǐng)求，就不需要通過總線把訪問請(qǐng)求送往主存(內(nèi)存)，這畢竟是慢的。高速緩存的命中通常需要兩個(gè)時(shí)鐘周期。高速緩存為命中，就必須訪問內(nèi)存，這需要付出大量的時(shí)間代價(jià)。由于高速緩存價(jià)格昂貴，所以其大小有限，有些機(jī)器具有兩級(jí)甚至三級(jí)高速緩存，每一級(jí)高速緩存比前一級(jí)慢但是容易大。

　　緩存在計(jì)算機(jī)科學(xué)的許多領(lǐng)域中起著重要的作用，并不僅僅只是RAM（隨機(jī)存取存儲(chǔ)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(huì)比其他部分更頻發(fā)地得到使用，此時(shí)用緩存可以帶來性能上的提升。一個(gè)典型的例子就是操作系統(tǒng)一直在使用緩存，比如，多數(shù)操作系統(tǒng)在內(nèi)存中保留頻繁使用的文件（的一部分），以避免從磁盤中重復(fù)地調(diào)用這些文件，類似的/root/a/b/c/d/e/f/a.txt的長(zhǎng)路徑名轉(zhuǎn)換成該文件所在的磁盤地址的結(jié)果然后放入緩存，可以避免重復(fù)尋找地址，還有一個(gè)web頁面的url地址轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)地址(IP)地址后，這個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)果也可以緩存起來供將來使用。

　　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L(zhǎng)1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：

再往下一層是主存，此乃存儲(chǔ)器系統(tǒng)的主力，主存通常稱為隨機(jī)訪問存儲(chǔ)RAM，就是我們通常所說的內(nèi)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(huì)到主存中找，主存是易失性存儲(chǔ)，斷電后數(shù)據(jù)全部消失

除了主存RAM之外，許多計(jì)算機(jī)已經(jīng)在使用少量的非易失性隨機(jī)訪問存儲(chǔ)如ROM（Read Only Memory，ROM），在電源切斷之后，非易失性存儲(chǔ)的內(nèi)容并不會(huì)丟失，ROM只讀存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)中，用于啟動(dòng)計(jì)算機(jī)的引導(dǎo)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(shè)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(shí)花費(fèi)的時(shí)間比寫入RAM要多。在便攜式電子設(shè)備中中，閃存通常作為存儲(chǔ)媒介。閃存是數(shù)碼相機(jī)中的膠卷，是便攜式音譯播放器的磁盤，還應(yīng)用于固態(tài)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(shù)過多，就被磨損了。

還有一類存儲(chǔ)器就是CMOS，它是易失性的，許多計(jì)算機(jī)利用CMOS存儲(chǔ)器來保持當(dāng)前時(shí)間和日期。CMOS存儲(chǔ)器和遞增時(shí)間的電路由一小塊電池驅(qū)動(dòng)，所以，即使計(jì)算機(jī)沒有加電，時(shí)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(shù)，比如，哪一個(gè)是啟動(dòng)磁盤等，之所以采用CMOS是因?yàn)樗碾姺浅Ｉ?，一塊工廠原裝電池往往能使用若干年，但是當(dāng)電池失效時(shí)，相關(guān)的配置和時(shí)間等都將丟失

4.3 磁盤

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

4.4 磁帶

在價(jià)錢相同的情況下比硬盤擁有更高的存儲(chǔ)容量，雖然速度低于磁盤，但是因其大容量，在地震水災(zāi)火災(zāi)時(shí)可移動(dòng)性強(qiáng)等特性，常被用來做備份。（常見于大型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中）

4.5 I/O設(shè)備

cpu和存儲(chǔ)器并不是操作系統(tǒng)唯一需要管理的資源，I/O設(shè)備也是非常重要的一環(huán)。

見四中的圖，I/O設(shè)備一般包括兩個(gè)部分：設(shè)備控制器和設(shè)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(wǎng)卡，聲卡等都需要插到一個(gè)口上，這個(gè)口連的便是控制器），控制器負(fù)責(zé)控制連接的設(shè)備，它從操作系統(tǒng)接收命令，比如讀硬盤數(shù)據(jù)，然后就對(duì)硬盤設(shè)備發(fā)起讀請(qǐng)求來讀出內(nèi)容。

控制器的功能：通常情況下對(duì)設(shè)備的控制是非常復(fù)雜和具體的，控制器的任務(wù)就是為操作系統(tǒng)屏蔽這些復(fù)雜而具體的工作，提供給操作系統(tǒng)一個(gè)簡(jiǎn)單而清晰的接口

設(shè)備本身：有相對(duì)簡(jiǎn)單的接口且標(biāo)準(zhǔn)的，這樣大家都可以為其編寫驅(qū)動(dòng)程序了。要想調(diào)用設(shè)備，必須根據(jù)該接口編寫復(fù)雜而具體的程序，于是有了控制器提供設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口給操作系統(tǒng)。必須把設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序安裝到操作系統(tǒng)中。

4.5 輸入輸出設(shè)備

#1、輸入設(shè)備
　　輸入設(shè)備的任務(wù)是把人們編好的程序和原始數(shù)據(jù)送到計(jì)算機(jī)中去，并且將他們轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)內(nèi)存所能識(shí)別和接受的信息方式。

　　安輸入信息的形態(tài)可分為字符（包括漢字）輸入、圖形輸入、圖像輸入及語言輸入等。目前，常見的輸入設(shè)備有：鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀等。輔助存儲(chǔ)器（磁盤、磁帶）也可以看作輸入設(shè)備。另外，自動(dòng)控制和檢測(cè)系統(tǒng)中使用的模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換裝置也是一種輸入設(shè)備。

#2、輸出設(shè)備
　　輸出設(shè)備的任務(wù)是將計(jì)算機(jī)的處理結(jié)果以人或其他設(shè)備所能接受的形式送出計(jì)算機(jī)。

　　目前最常用的輸出設(shè)備是打印機(jī)和顯示器。輔助存儲(chǔ)器也可以看做輸出設(shè)備。另外，數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換裝置也是一種輸出設(shè)備。

4.6 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

主板圖解：

電源（Power）==心臟：所有的組件要能運(yùn)作，得要有足夠的電力供給才行。這就好像心臟一樣，如果心臟不跳動(dòng)了，人就嗝屁了，電腦也是如果沒有電源，那也就是一堆垃圾，什么作用都沒有。

4.7 啟動(dòng)計(jì)算機(jī)

在計(jì)算機(jī)的主板上有一個(gè)基本的輸入輸出程序（Basic  Input Output system)

BIOS就相當(dāng)于一個(gè)小的操作系統(tǒng)，它有底層的I/O軟件，包括讀鍵盤，寫屏幕，進(jìn)行磁盤I/O,該程序存放于一非易失性閃存RAM中。

啟動(dòng)流程

1.計(jì)算機(jī)加電

2.BIOS開始運(yùn)行，檢測(cè)硬件：cpu、內(nèi)存、硬盤等

3.BIOS讀取CMOS存儲(chǔ)器中的參數(shù)，選擇啟動(dòng)設(shè)備

4.從啟動(dòng)設(shè)備上讀取第一個(gè)扇區(qū)的內(nèi)容（MBR主引導(dǎo)記錄512字節(jié)，前446為引導(dǎo)信息，后64為分區(qū)信息，最后兩個(gè)為標(biāo)志位）

5.根據(jù)分區(qū)信息讀入bootloader啟動(dòng)裝載模塊，啟動(dòng)操作系統(tǒng)

6.然后操作系統(tǒng)詢問BIOS，以獲得配置信息。對(duì)于每種設(shè)備，系統(tǒng)會(huì)檢查其設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是否存在，如果沒有，系統(tǒng)則會(huì)要求用戶按照設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。一旦有了全部的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，操作系統(tǒng)就將它們調(diào)入內(nèi)核。然后初始有關(guān)的表格（如進(jìn)程表），穿件需要的進(jìn)程，并在每個(gè)終端上啟動(dòng)登錄程序或GUI