计算机基础之硬件
前言–为何要学习计算机基础
首先，我们都知道世界上有很多种语言，比如：汉语、英语、日语等。想要和某个人有效沟通，就必须得用相应的语言去沟通。计算机也一样，如果想让计算机帮助我们做事情，我们就需要和它进行沟通，那我们也必须使用计算机能够识别的语言去和它沟通，也就是所谓的编程语言，比如：C，Java，PHP，Python，C#等
其次，有了编程语言，我们要想让计算机工作，还必须得了解计算机能干什么，具体怎么干的，比如：如何具体操作硬盘（我们得把硬盘拆开，然后将看见的所有东西，都得研究明白，因为编程时要用到它），这样你就具备了原始的编程能力——用编程语言直接操作硬件来编程
最后，随着计算的高速发展，原始的编程能力不能满足现代的编程需求了，为什么这么说呢？因为原始的编程太low了，要花费我们大量的时间去学习计算机硬件操作，大大降低了开发效率，所以，操作系统应运而生，它运行于硬件之上，用来控制硬件。现在我们用编程语言开发程序，最终开发出的结果就是一个软件，比如：QQ、优酷，酷狗等，这时只需要调用操作系统为我们提供的简单而优雅的接口就可以了。
总结：一台完整的计算机由硬件系统和软件系统（系统软件（包括操作系统），应用软件）构成，如下图：
所以，虽然我们现在不需要了解计算机硬件底层操作，但如果我们想要成为一个优秀的程序员，不仅仅只需要学习一门或几门编程语言，关于计算机硬件、操作系统这些计算机基础知识我们也得学习。
下面开始本篇文章内容介绍——计算机硬件
一 计算机硬件概述
计算机硬件主要有运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备
- 控制器(Control)：是整个计算机的中枢神经，其功能是对程序规定的控制信息进行解释，根据其要求进行控制，调度程序、数据、地址，协调计算机各部分工作及内存与外设的访问等
- 运算器(Datapath)：运算器的功能是对数据进行各种算术运算和逻辑运算，即对数据进行加工处理
- 存储器(Memory)：计算机用来存放所有数据和程序的记忆部件。它的基本功能是按指定的地址存（写）入或者取（读）出信息。 计算机中的存储器可分成两大类：一类是内存储器，简称内存或主存；另一类是外存储器（辅助存储器），简称外存或辅存。 存储器由若干个存储单元组成，每个存储单元都有一个地址，计算机通过地址对存储单元进行读写。一个存储器所包含的字节数称为存储容量，单位有B、KB、MB、GB、TB等。
- 输入(Input system)：输入设备是计算机的重要组成部分，输入设备与输出设备合称为外部设备，简称外设，输入设备的作用是将程序、原始数据、文字、字符、控制命令或现场采集的数据等信息输入到计算机。常见的输入设备有键盘、鼠标器、光电输入机、磁带机、磁盘机、光盘机等，外存储器也是一种输入设备。
- 输出(Output system)：输出设备与输入设备同样是计算机的重要组成部分，它把外算机的中间结果或最后结果、机内的各种数据符号及文字或各种控制信号等信息输出出来。微机常用的输出设备有显示终端CRT、打印机、激光印字机、绘图仪及磁带、光盘机等，外存储器也是一种输入设备。
我们常说的CPU=控制器+运算器，内存为主存储器，硬盘为外存储器，主板=I/O总线（看下面）+ 输入输出系统
CPU、存储器以及其他I/O设备都由一条系统总线（bus）连接起来并通过总线与其他设备通信
我们如果将计算机比作为人，类比如下：
- CUP是人的大脑，负责运算、管理
- 内存是人的记忆，负责临时存储
- 硬盘是人的笔记本，负责永久存储
- 输入设备是耳朵或眼睛，负责接收外部的信息传给CPU
- 输出设备是你的表情，负责经过处理后的结果
以上说有的设备都是通过总线连接，总线相当于人的神经。
综合上面讲的，一个完整的计算机系统简图如下：
二 CPU
通常将运算器和控制器合称为中央处理器(Central Processing Unit，CPU)，它的工作主要在于管理和运算，其中算数逻辑单元主要负责程序运算和逻辑判断，控制单元则主要在协调各周边组件与各单元间的工作。 计算机的五大单元包括：输入单元、 输出单元、CPU内部的控制单元、算数逻辑单元与主存储器五大部分，简图如下：
上面图标中的系统单元其实指的就是计算机机壳内的主要组件，而重点在于CPU与主存储器。 特别要看的是实线部分的传输方向，基本上数据都是流经过主存储器再转出去的！至于数据会流进/流出内存则是CPU所发布的控制命令！而CPU实际要处理的数据则完全来自于主存储器， 这是个很重要的概念，一定要牢牢记住。
2.1 CPU的种类
在超大规模集成电路构成的微型计算机中，往往将CPU制成一块具有特定功能的芯片，称为微处理器，芯片里边有编写好的微指令集，我们在主机上的所有操作或者说任何软件的执行最终都要转化成cpu的指令去执行，如输入输出，阅读，视频，上网等这些都要参考CPU是否内置有相关微指令集才行。如果没有，那么CPU无法处理这些操作。不同的CPU指令集不同对应的功能也不同，主要有以下两种：
精简指令集(Reduced Instruction Set Computing, RISC)
这种CPU的设计中，微指令集较为精简，每个指令的运行时间都很短，完成的动作也很单纯，指令的执行效能较佳； 但是若要做复杂癿事情，就要由多个指令来完成。常见的RISC微指令集CPU主要例如升阳(Sun)公司的SPARC系列、 IBM公司的Power Architecture(包括PowerPC)系列、不ARM系列等。
复杂指令集(Complex Instruction Set Computer, CISC)
CISC在微指令集的每个小指令可以执行一些较低阶的硬件操作，指令数目多而且复杂， 每条指令的长度并不相同。因为指令执行较为复杂，所以每条指令花费的时间较长， 但每条个别指令可以处理癿工作较为丰富。常见的CISC微指令集CPU主要有AMD、Intel、VIA等癿x86架构癿CPU。
2.2 寄存器
寄存器是CPU的组成部分，是有限存储容量的高速存储部件，它们可用来暂存指令、数据和地址，常见分类如下：
- 通用寄存器：用来保存变量和临时结果的
- 程序计数器：它保存了将要取出的下一条指令的内存地址。在指令取出后，程序计算器就被更新以便执行后期的指令
- 堆栈指针：它指向内存中当前栈的顶端。该栈包含已经进入但是还没有退出的每个过程中的一个框架。在一个过程的堆栈框架中保存了有关的输入参数、局部变量以及那些没有保存在寄存器中的临时变量
- 程序状态字寄存器（Program Status Word，简称PSW）：这个寄存器包含了条码位(由比较指令设置)、CPU优先级、模式（用户态或内核态），以及各种其他控制位。用户通常读入整个PSW，但是只对其中少量的字段写入。在系统调用和I/O中，PSW非常重要。
2.3 处理器设计的演变
首先我们需要知道一点，CPU的执行过程如下：从内存中取指–>解码–>执行，然后再取指–>解码–>执行，周而复始，直至整个程序被执行完成
第一阶段：取指、解码、执行这三个过程是同时进行的，这意味着任何一个过程完成都需要等待其余两个过程执行完毕，时间浪费
第二阶段：取指、解码、执行设计为流水线式的设计，即执行指令n时，可以对指令n+1解码，并且可以读取指令n+2，完全是一套流水线
第三阶段：超变量cpu，比流水线更加先进，有多个执行单元，可以同时负责不同的事情，比如看片的同时，听歌，打游戏。两个或更多的指令被同时取出、解码并装入一个保持缓冲区中，直至它们都执行完毕。只要有一个执行单元空闲，就检查保持缓冲区是否还有可处理的指令
这种设计存在一种缺陷，即程序的指令经常不按照顺序执行，在多数情况下，硬件负责保证这种运算结果与顺序执行的指令时的结果相同。
2.4 内核态与用户态
除了在嵌入式系统中的非常简答的CPU之外，多数CPU都有两种模式，即内核态与用户态。通常，PSW中有一个二进制位控制这两种模式。
内核态：当cpu在内核态运行时，cpu可以执行指令集中所有的指令，很明显，所有的指令中包含了使用硬件的所有功能。操作系统在内核态下运行，从而可以访问整个硬件。
用户态：用户程序在用户态下运行，仅仅只能执行cpu整个指令集的一个子集，该子集中不包含操作硬件功能的部分，因此，一般情况下，在用户态中有关I/O和内存保护（操作系统占用的内存是受保护的，不能被别的程序占用），当然，在用户态下，将PSW中的模式设置成内核态也是禁止的。
如何切换内核态与用户态
所有用户程序都是运行在用户态的，但是有时候程序确实需要做一些内核态的事情，例如：从硬盘读取数据，或者从键盘获取输入等。而唯一可以做这些事情的就是操作系统，所以此时程序就需要向操作系统请求以程序的名义来执行这些操作。
这时需要一个这样的机制: 用户态程序切换到内核态，但是不能控制在内核态中执行的指令
这种机制叫系统调用（system call）， 在CPU中的实现称之为陷阱指令(Trap Instruction)。我们可以把系统调用看成一个特别的过程：调用指令就可以了，该指令具有从用户态切换到内核态的特别能力。
工作流程如下:
- 用户态程序将一些数据值放在寄存器中， 或者使用参数创建一个堆栈(stack frame)，以此表明需要操作系统提供的服务
- 用户态程序执行陷阱指令
- CPU切换到内核态，并跳到位于内存指定位置的指令，这些指令是操作系统的一部分， 他们具有内存保护，不可被用户态程序访问
- 这些指令称之为陷阱(trap)或者系统调用处理器(system call handler)，他们会读取程序放入内存的数据参数， 并执行程序请求的服务
- 系统调用完成后，操作系统会重置CPU为用户态并返回系统调用的结果
2.5 多线程和多核芯片
moore定律指出，芯片中的晶体管数量每18个月翻一倍，随着晶体管数量的增多，更强大的功能成为了可能，如：
第一步增强：在cpu芯片中加入更大的缓存，一级缓存L1，用和cpu相同的材质制成，cpu访问它没有时延
第二步增强：一个cpu中的处理逻辑增多，intel公司首次提出，称为多线程（multithreading）或超线程（hyperthreading），对用户来说一个有两个线程的cpu就相当于两个cpu，我们后面要学习的进程和线程的知识就起源于这里，进程是资源单位而线程才是cpu的执行单位（多线程运行cpu保持两个不同的线程状态，可以在纳秒级的时间内来回切换，速度快到你看到的结果是并发的，伪并行的，然而多线程不提供真正的并行处理，一个cpu同一时刻只能处理一个进程（一个进程中至少一个线程））
第三步增强：除了多线程，还可以有多个完整处理器的cpu芯片，如下图。要使用这类多核芯片肯定需要有多处理操作系统
2.6 CPU的外频与倍频
所谓的外频指的是CPU与外部组件进行数据传输时的速度，倍频则是 CPU 内部用来加速工作效能的一个倍数， 两者相乘才是CPU的频率速度。以Intel Core 2 Duo E8400 CPU来说，他的频率是3.0GHz， 而外频是333MHz，因此倍频就是9倍！(3.0G=333Mx9, 其中1G=1000M)。
主存储器与CPU的沟通速度靠的是外部频率，一般主板芯片组有分北桥与南桥， 北桥的总线称为系统总线，因为是内存传输的主要信道，所以速度较快。 南桥就是所谓的输入输出(I/O)总线，主要在联系硬盘、USB、网绚卡等接口设备。北桥所支持的频率称为前端总线速度(Front Side Bus, FSB)， 而每次传送的位数则是总线宽度。 那所谓的总线带宽则是：『FSBx总线宽度』亦即每秒钟可传送癿最大数据量。 目前常见的总线宽度有32/64位(bits)。
与总线宽度相似的，CPU每次能够处理的数据量称为字组大小(word size)， 字组大小依据CPU的设计而有32位、64位。现在所称的计算机是32与64位主要是依据这个 CPU解析的字组大小而来的！早期的32位CPU中，因为CPU每次能够解析的数据量有限， 因此由主存储器传来的数据量就有所限制了。这也导致32位的CPU最多只能支持最大到4GBytes的内存。
三 存储器
计算机系统中第二重要的就是存储了，它的分级结构如下：
顶层的存储器速度较高，容量较小，与底层的存储器相比每位的成本较高，其差别往往是十亿数量级的，当然随着科技的进步，典型的访问时间及容量只是参考值哈，这里我们主要想展示一下结构。
3.1 寄存器（L1缓存）
用与cpu相同材质制造，与cpu一样快，因而cpu访问它无时延，典型容量是：在32位cpu中为32*32，在64位cpu中为64*64，在两种情况下容量均<1KB。
3.2 高速缓存（L2缓存）
主要由硬件控制高速缓存的存取，内存中有高速缓存行按照0~64字节为行0，64~127为行1。。。最常用的高速缓存行放置在cpu内部或者非常接近cpu的高速缓存中。当某个程序需要读一个存储字时，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，缓存满足了请求，就不需要通过总线把访问请求送往主存(内存)，这毕竟是慢的。高速缓存的命中通常需要两个时钟周期。高速缓存未命中，就必须访问内存，这需要付出大量的时间代价。由于高速缓存价格昂贵，所以其大小有限，有些机器具有两级甚至三级高速缓存，每一级高速缓存比前一级慢但是容易大。
3.3 内存
内存包括随机存储器（Random Access Memory，RAM），只读存储器（Read Only Memory，ROM）。RAM是内存中最重要的存储器，它只有在通电时才能记录与使用，断电后数据就消失了，是易失性存储。ROM为非易失性存储，在电源切断之后，它存储的内容也不会丢失，ROM只读存储器在工厂中就被编程完毕，然后再也不能修改。ROM速度快且便宜，在有些计算机中，用于启动计算机的引导加载模块就存放在ROM中，另外一些I/O卡也采用ROM处理底层设备的控制。
EEPROM（Electrically Erasable PROM，电可擦除可编程ROM）和闪存（flash memory）也是非易失性的，但是与ROM相反，他们可以擦除和重写。不过重写时花费的时间比写入RAM要多。在便携式电子设备中，闪存通常作为存储媒介。闪存是数码相机中的胶卷，是便携式音译播放器的磁盘，还应用于固态硬盘。闪存在速度上介于RAM和磁盘之间，但与磁盘不同的是，闪存擦除的次数过多，就被磨损了。
还有一类存储器就是CMOS，它是易失性的，许多计算机利用CMOS存储器来保持当前时间和日期。CMOS存储器和递增时间的电路由一小块电池驱动，所以，即使计算机没有加电，时间也仍然可以正确地更新，除此之外CMOS还可以保存配置的参数，比如，哪一个是启动磁盘等，之所以采用CMOS是因为它耗电非常少，一块工厂原装电池往往能使用若干年，但是当电池失效时，相关的配置和时间等都将丢。失。
3.4 磁盘
常说的硬盘就是磁盘的一种，它的物理组成：硬盘盒里面其实是由许许多多的圆形磁盘盘、机械手臂、 磁盘读取头与主轴马达所组成的，整个内部如下所示：
当磁盘旋转时，磁头（读取头）若保持在一个位置上，则每个磁头都会在磁盘表面划出一个圆形轨迹，这些圆形轨迹就叫做磁道
磁盘上的每个磁道被等分为若干个弧段，这些弧段便是磁盘的扇区，扇区典型的值是512字节
硬盘通常由重叠的一组盘片构成，每个盘面都被划分为数目相等的磁道，并从外缘的“0”开始编号，具有相同编号的磁道形成一个圆柱，称之为磁盘的柱面
数据都存放于一段一段的扇区中，从磁盘读取一段数据需要经历寻道时间和延迟时间
平均寻道时间
指硬盘在接收到系统指令后，磁头从开始移动到数据所在的磁道所花费时间的平均值，它在一定程度上体现了硬盘读取数据的能力，是影响硬盘内部数据传输率的重要参数，单位为毫秒（ms）
平均延迟时间
机械臂到达正确的磁道之后还必须等待旋转到数据所在的扇区下，这段时间成为延迟时间
传输接口
硬盘接口是硬盘与主机系统间的连接部件，作用是在硬盘缓存和主机内存之间传输数据。不同的硬盘接口决定着硬盘与计算机之间的连接速度，在整个系统中，硬盘接口的优劣直接影响着程序运行快慢和系统性能好坏。目前主要接口类型有：ATA、IDE、SATA、SCSI、光纤通道。
补充–虚拟内存
许多计算机支持虚拟内存机制，该机制使计算机可以运行大于物理内存的程序，方法是将正在使用的程序放入内存去执行，而暂时不需要执行的程序放到磁盘的某块地方，这块地方成为虚拟内存。在linux中成为swap，这种机制的核心在于快速地映射内存地址，由cpu中的一个部件负责，成为存储器管理单元(Memory Management Unit MMU)。
3.5 磁带
在价钱相同的情况下比硬盘拥有更高的存储容量，虽然速度低于磁盘，但是因其大容量，在地震水灾火灾时可移动性强等特性，常被用来做备份。（常见于大型数据库系统中）
四 I/O设备
cpu和存储器并不是操作系统唯一需要管理的资源，I/O设备也是非常重要的一环。I/O设备一般包括两个部分：设备控制器和设备本身。
控制器：是查找主板上的一块芯片或一组芯片（硬盘，网卡，声卡等都需要插到一个口上，这个口连的便是控制器），控制器负责控制连接的设备，它从操作系统接收命令，比如读硬盘数据，然后就对硬盘设备发起读请求来读出内容。
控制器的功能：通常情况下对设备的控制是非常复杂和具体的，控制器的任务就是为操作系统屏蔽这些复杂而具体的工作，提供给操作系统一个简单而清晰的接口
设备本身：有相对简单的接口且标准的，这样大家都可以为其编写驱动程序了。要想调用设备，必须根据该接口编写复杂而具体的程序，于是有了控制器提供设备驱动接口给操作系统。必须把设备驱动程序安装到操作系统中。
五 总线（主板）
前面提到的总线结构在小型计算机中沿用了多年，并也用在早期的IBM PC中。但是随着处理器和存储器速度越来越快，单总线很难处理总线的交通流量了，于是出现了下图的多总线模式，他们处理I/O设备及cpu到存储器的速度都更快。
主板图解如下：
整个主板上面最重要的就是芯片组！而芯片组通常又分为两个网桥来控制各组件的沟通， 分别是PCI桥（北桥）和ISA桥（南桥）
北桥：北桥的总线称为系统总线，负责链接速度较快的CPU、主存储器与显示适配器等组件；
南桥：南桥就是所谓的输入输出(I/O)总线，负责连接速度较慢的周边接口， 包括硬盘、USB、网绚卡等等。
六 个人计算机架构
6.1 Inter芯片
6.2 AMD芯片
AMD芯片架构与Intel不同的地方在于主存储器是直接与CPU沟通而不通过北桥！如前面所说，可以知道CPU的资料主要都是来自于主存储器提供， 因此AMD为了加速这两者的沟通，所以将内存控制组件整合到CPU中， 理论上这样可以加速CPU于主存储器的传输速度！这是两种CPU在架构上面主要的差异点。
七 电源
上面介绍了计算机主要的硬件，还有一样需要说明一下，那就是电源。电源（Power）= 心脏：所有的组件要能运作，得要有足够的电力供给才行。这就好像心脏一样，如果心脏不跳动了，人就嗝屁了，电脑也是如果没有电源，那也就是一堆垃圾，什么作用都没有。
八 启动计算机
CMOS与BIOS
CMOS主要的功能为记录主板上面的重要参数， 包括系统时间、CPU电压不频率、各项设备的I/O地址与IRQ等，由于这些数据的记录要花费电力，因此主板上面才有电池。 BIOS（Basic Input Output system)为写入到主板上某一块 flash 或 EEPROM的一个基本的输入输出程序，它可以在开机的时候执行，以加载CMOS当中的参数，并尝试呼叫储存装置中的开机程序，进一步进入操作系统当中。BIOS程序也可以修改CMOS中的数据， 每种主板呼叫BIOS设定程序的按键都不同，一般桌面计算机常见的是使用del按键进入BIOS设定画面
具体启动流程如下：
- 计算机加电
- BIOS开始运行，检测硬件：cpu、内存、硬盘等
- BIOS读取CMOS存储器中的参数，选择启动设备
- 从启动设备上读取第一个扇区的内容（MBR主引导记录512字节，前446为引导信息，后64为分区信息，最后两个为标志位）
- 根据分区信息读入bootloader启动装载模块，启动操作系统
- 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
补充–应用程序的启动流程
- 打开需要启动的应用程序
- 操作系统获得带应用程序的文件路径
- 操作系统从硬盘读取文件到内存中
- cpu从内存中读取数据执行
参考博客：https://www.cnblogs.com/linhaifeng/p/6523843.html
参考书籍：鸟哥的linux私房菜_基础学习篇
关于计算机硬件发展史可参考：http://www.cnblogs.com/linhaifeng/p/6428430.html