1、編程語(yǔ)言的作用及與操作系統(tǒng)和硬件的關(guān)系

一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括硬件、操作系統(tǒng)、軟件(即程序員開(kāi)發(fā)的各種軟件)三部分組成。

各程序員開(kāi)發(fā)的軟件若直接調(diào)用計(jì)算機(jī)的硬件，如硬盤(pán)讀取、音頻播放等，則軟件不僅編寫(xiě)復(fù)雜同時(shí)影響開(kāi)發(fā)效率，因此程序員開(kāi)發(fā)的軟件需通過(guò)計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)間接調(diào)用計(jì)算機(jī)各硬件。如下圖：

　　?即編寫(xiě)各種計(jì)算機(jī)軟件的編程語(yǔ)言可看作程序員與計(jì)算機(jī)溝通的介質(zhì)，程序員通過(guò)編程語(yǔ)言編寫(xiě)軟件從而達(dá)到控制計(jì)算機(jī)的目的。

2、計(jì)算機(jī)硬件

計(jì)算機(jī)硬件(Computer hardware)是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中由電子，機(jī)械和光電元件等組成的各種物理裝置的總稱(chēng)。簡(jiǎn)言之，計(jì)算機(jī)硬件是構(gòu)成計(jì)算機(jī)的物質(zhì)基礎(chǔ)，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心。從外觀(guān)上來(lái)看，微機(jī)由主機(jī)箱和外部設(shè)備組成。

根據(jù)計(jì)算機(jī)之父馮·諾依曼的劃分，計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五部分組成。通常把運(yùn)算器與控制器合稱(chēng)為中央處理器(Central Processing Unit，CPU)。

其中：

CPU是計(jì)算機(jī)的核心，負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算及程序控制；

存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)的記憶設(shè)備，用來(lái)存放程序和數(shù)據(jù)

輸入設(shè)備是計(jì)算機(jī)接收外部信息和數(shù)據(jù)的設(shè)備。常用輸入設(shè)備有：鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、掃描儀等

輸入設(shè)備是輸出計(jì)算機(jī)處理后的數(shù)據(jù)。常用的輸出設(shè)備有：顯示器、打印機(jī)等

在計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)各硬件是通過(guò)各類(lèi)總線(xiàn)連接在一起的。

2.1處理器(cpu)

CPU是計(jì)算機(jī)的核心，負(fù)責(zé)處理計(jì)算機(jī)的各種邏輯運(yùn)算和程序控制等。CPU處理的流程是：從內(nèi)存讀取指令->解析指令->執(zhí)行指令，執(zhí)行完之后繼續(xù)從內(nèi)存讀取指令->解析指令->執(zhí)行指令，知道所有的程序被執(zhí)行完畢。

由于CPU的讀寫(xiě)速度遠(yuǎn)大于內(nèi)存的讀寫(xiě)速度，為最大限度發(fā)揮CPU的效率，將CPU的一些常用指令集存入一個(gè)能夠快速讀寫(xiě)設(shè)備中，即寄存器。

寄存器的讀寫(xiě)速度介于CPU和內(nèi)存之間。

(計(jì)算機(jī)處理應(yīng)用程序流程圖)

寄存器分類(lèi):

1) 通用寄存器：用來(lái)保存變量和臨時(shí)結(jié)果

2) 程序計(jì)數(shù)器：保存將要取出的下一條指令的內(nèi)存地址。在指令取出后，程序計(jì)數(shù)器就被更新以便執(zhí)行后期的指令

3)堆棧指針寄存器：它指向內(nèi)存中當(dāng)前棧的頂端。該棧包含已經(jīng)進(jìn)入但是還沒(méi)有退出的每個(gè)過(guò)程中的一個(gè)框架。在一個(gè)過(guò)程的堆棧框架中保存了有關(guān)的輸入?yún)?shù)、局部變量以及那些沒(méi)有保存在寄存器中的臨時(shí)變量

4)程序狀態(tài)字寄存器(Program Status Word, PSW),這個(gè)寄存器包含了條碼位(由比較指令設(shè)置)、CPU優(yōu)先級(jí)、模式(用戶(hù)態(tài)或內(nèi)核態(tài))，以及各種其他控制位。

3、內(nèi)核態(tài)與用戶(hù)態(tài)

由于需要限制不同的程序之間的訪(fǎng)問(wèn)能力, 防止他們獲取別的程序的內(nèi)存數(shù)據(jù), 或者獲取外圍設(shè)備的數(shù)據(jù), 并發(fā)送到網(wǎng)絡(luò),因此CPU劃分出兩個(gè)權(quán)限等級(jí) --?用戶(hù)態(tài)?和?內(nèi)核態(tài)

在程序狀態(tài)字寄存器中與一個(gè)二進(jìn)制位用來(lái)控制CPU的模式，

內(nèi)核態(tài): 當(dāng)CPU在內(nèi)核態(tài)運(yùn)行時(shí)，CPU可以執(zhí)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(tǒng)在內(nèi)核態(tài)下運(yùn)行，從而可以訪(fǎng)問(wèn)整個(gè)硬件)

用戶(hù)態(tài): 用戶(hù)程序在用戶(hù)態(tài)下運(yùn)行，僅僅只能執(zhí)行cpu整個(gè)指令集的一個(gè)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(hù)態(tài)中有關(guān)I/O和內(nèi)存保護(hù)(操作系統(tǒng)占用的內(nèi)存是受保護(hù)的，不能被別的程序占用)

內(nèi)核態(tài)與用戶(hù)態(tài)的切換：

用戶(hù)態(tài)程序發(fā)出使用操作系統(tǒng)的需求(使用硬件設(shè)備)

->用戶(hù)程序啟用系統(tǒng)調(diào)用

->寄存器執(zhí)行指令

->CPU切換到內(nèi)核態(tài)

->啟用操作系統(tǒng)獲得服務(wù)

->操作系統(tǒng)重置CPU為用戶(hù)態(tài)并返回系統(tǒng)調(diào)用結(jié)果

4、存儲(chǔ)器

存儲(chǔ)器(Memory)是計(jì)算機(jī)中用于保存信息的記憶設(shè)備。廣義概念中只要能保存二進(jìn)制數(shù)據(jù)的都可以是存儲(chǔ)器。

常用存儲(chǔ)器有:

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(fǎng)問(wèn)它無(wú)時(shí)延。

高速緩存即L2緩存：主要由硬件控制高速緩存的存取，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(chēng)為高速緩存命中，緩存滿(mǎn)足了請(qǐng)求，就不需要通過(guò)總線(xiàn)把訪(fǎng)問(wèn)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。

L1與L2的差別在于對(duì)cpu對(duì)L1的訪(fǎng)問(wèn)無(wú)時(shí)間延遲，而對(duì)L2的訪(fǎng)問(wèn)則有1-2個(gè)時(shí)鐘周期(即1-2ns)的延遲。

內(nèi)存(RAM)：既能讀取也能寫(xiě)入的存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)速度快，斷電后數(shù)據(jù)全部消失

EEPROM(Electrically Erasable PROM，電可擦除可編程ROM)：具有非易私性，擦除和重寫(xiě)。不過(guò)重寫(xiě)時(shí)花費(fèi)的時(shí)間比寫(xiě)入RAM要多。

閃存(flash memory):具有非易私性，閃存通常作為存儲(chǔ)媒介，多應(yīng)用于固態(tài)硬盤(pán)。閃存在速度上介于RAM和磁盤(pán)之間，但與磁盤(pán)不同的是，閃存擦除的次數(shù)過(guò)多，就被磨損了

只讀存儲(chǔ)器(ROM)：儲(chǔ)的內(nèi)容是固定不變的，只能讀出而不能寫(xiě)入的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。通常用于BIOS中。

CMOS存儲(chǔ)器：易失性，多用來(lái)存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)bios的設(shè)置，如當(dāng)前時(shí)間日期、系統(tǒng)啟動(dòng)盤(pán)信息等。

Bios電池：用于CMOS存儲(chǔ)器供電

磁盤(pán)：磁盤(pán)結(jié)構(gòu)如下圖：

(常見(jiàn)計(jì)算機(jī)硬盤(pán)結(jié)構(gòu))

(磁盤(pán)結(jié)構(gòu)圖)

磁盤(pán)上的一些列的同心圓上，是一連串的2進(jìn)制位(稱(chēng)為bit位)，為了統(tǒng)計(jì)便，8個(gè)bit稱(chēng)為一個(gè)字節(jié)bytes，1024bytes=1k，1024k=1M，1024M=1G,所以我們平時(shí)所說(shuō)的磁盤(pán)容量最終指的就是磁盤(pán)能寫(xiě)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(chēng)為磁道

把一個(gè)戈丁手臂位置上所以的磁道合起來(lái)，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)

磁盤(pán)存儲(chǔ)的基本單位是一個(gè)二進(jìn)制位，讀寫(xiě)的基本單位是扇區(qū)

操作系統(tǒng)中磁盤(pán)文件存儲(chǔ)管理的最小單位叫：“塊(block)”，一般一個(gè)塊為8個(gè)扇區(qū)

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(pán)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

平均延遲時(shí)間：機(jī)械臂到達(dá)正確的磁道之后還必須等待旋轉(zhuǎn)到數(shù)據(jù)所在的扇區(qū)下，這段時(shí)間成為延遲時(shí)間

6、虛擬內(nèi)存與MMU

虛擬內(nèi)存：虛擬內(nèi)存是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)存管理的一種技術(shù)。它使得應(yīng)用程序認(rèn)為它擁有連續(xù)的可用的內(nèi)存(一個(gè)連續(xù)完整的地址空間)。在CPU中將正在使用的程序放入內(nèi)存去執(zhí)行，而暫時(shí)不需要執(zhí)行的程序放到磁盤(pán)的某塊地方，這塊地方成為虛擬內(nèi)存。

MMU即存儲(chǔ)器管理單元(Memory Management Unit)：是CPU中負(fù)責(zé)在虛擬內(nèi)存中將不需要執(zhí)行的磁盤(pán)程序快速映射到內(nèi)存地址的部件

磁帶：在價(jià)錢(qián)相同的情況下比硬盤(pán)擁有更高的存儲(chǔ)容量，雖然速度低于磁盤(pán)，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(lái)做備份。(常見(jiàn)于大型數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中)

7、設(shè)備驅(qū)動(dòng)與控制器

設(shè)備驅(qū)動(dòng)：即設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，是一種可以使計(jì)算機(jī)和設(shè)備通信的特殊程序。相當(dāng)于硬件的接口，操作系統(tǒng)只有通過(guò)這個(gè)接口，才能控制硬件設(shè)備的工作，假如某設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序未能正確安裝，便不能正常工作，是硬件和系統(tǒng)之間的橋梁。

控制器：是計(jì)算機(jī)的指揮中心,負(fù)責(zé)決定執(zhí)行程序的順序,給出執(zhí)行指令時(shí)機(jī)器各部件需要的操作控制命令. 主要功能：從內(nèi)存中取出一條指令，并指出下一條指令在內(nèi)存中位置，對(duì)指令進(jìn)行譯碼或測(cè)試，并產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制信號(hào)，以便啟動(dòng)規(guī)定的動(dòng)作；指揮并控制CPU、內(nèi)存和輸入/輸出設(shè)備之間數(shù)據(jù)流動(dòng)的方向。

8、總線(xiàn)與南橋和北橋

總線(xiàn)(Bus)：是計(jì)算機(jī)各種功能部件之間傳送信息的公共通信干線(xiàn)，它是由導(dǎo)線(xiàn)組成的傳輸線(xiàn)束。總線(xiàn)是一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它是cpu、內(nèi)存、輸入、輸出設(shè)備傳遞信息的公用通道，主機(jī)的各個(gè)部件通過(guò)總線(xiàn)相連接，外部設(shè)備通過(guò)相應(yīng)的接口電路再與總線(xiàn)相連接，從而形成了計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，各個(gè)部件之間傳送信息的公共通路叫總線(xiàn)，微型計(jì)算機(jī)是以總線(xiàn)結(jié)構(gòu)來(lái)連接各個(gè)功能部件的。

北橋即PCI橋：是電腦主板芯片組中的一枚。北橋被用來(lái)處理高速信號(hào)、通常處理CPU(處理器)、RAM(內(nèi)存)和南橋芯片之間的通信。

南橋即ISA橋：連接慢速設(shè)備，南橋芯片主要是負(fù)責(zé)I/O接口等一些外設(shè)接口的控制、IDE設(shè)備的控制及附加功能等。

9、操作系統(tǒng)的啟動(dòng)流程

啟動(dòng)流程

1)?????? 計(jì)算機(jī)加電

2)?????? BIOS開(kāi)始運(yùn)行，檢測(cè)硬件：cpu、內(nèi)存、硬盤(pán)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(xún)問(wèn)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(méi)有，系統(tǒng)則會(huì)要求用戶(hù)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

10、應(yīng)用程序的啟動(dòng)流程

1)?????? 啟動(dòng)應(yīng)用程序

2)?????? 應(yīng)用程序?qū)⑿枨蟀l(fā)送操作系統(tǒng)

3)?????? CPU從內(nèi)存中讀取指令、解析指令、執(zhí)行指令

4)?????? 操作系統(tǒng)輸出CPU執(zhí)行結(jié)果

來(lái)源：https://www.cnblogs.com/hedeyong/p/6875017.html

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的计算机基础与应用教程计算机硬件,计算机基础系列一：计算机硬件的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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