計算機基礎系列教學一：計算機硬體

　　運算器：負責算術運算與邏輯運算，與控制器共同組成了中央處理器（CPU）。

　　記憶體：用來儲存正在進行程式、將要進行程式的資料及剛處理完的資料。

　　控制器：負責傳送和接收指令。

　　輸入裝置：用來進行輸入的裝置，如鍵鼠、掃描器等。

　　輸出裝置：用來進行輸出的裝置，如顯示器、音響等。

　　整個計算機系統由硬體和軟體所組成。人們把沒有安裝任何軟體的計算機稱為裸機。裸機是不能執行任何計算和處理，必須通過軟體系統來使它執行起來。軟體也可以理解為程式，程式是通過程式語言完成的，這是人們與計算機進行溝通的重要渠道。軟體一般分為系統軟體和應用軟體。

　　系統軟體是指控制和協調計算機及外部裝置,支援應用軟體開發和執行的系統，是無需使用者干預的各種程式的集合，主要功能是排程，監控和維護計算機系統；負責管理計算機系統中各種獨立的硬體，使得它們可以協調工作。系統軟體使得計算機使用者和其他軟體將計算機當作一個整體而不需要顧及到底層每個硬體是如何工作的。這就為程式設計師進行應用軟體的開發清除了很多障礙。系統軟體舉例：windows xp 、windows 7、windows 8、windows 10 、Android（安卓手機系統） 、IOS（蘋果手機系統），unix，linux等。應用程式是使用者利用計算機來解決某些問題所編制的程式，如工程設計程式、資料處理程式、自動控制程式、企業管理程式、情報檢索程式、科學計算程式等等。

　　                                                                                                                                                                      圖1                                                                                                                                                                       圖2

　　CPU（Center Processing Unit,集運算及控制）

　　整個計算機硬體系統中，最重要的當屬CPU了，它在整個計算機系統中的作用就相當於我們的大腦。它從記憶體中取指令->解碼->執行，然後再取指令->解碼->執行下一條指令，周而復始，直至整個程式被執行完成。因為存取記憶體以得到指令或資料的時間比cpu執行指令花費的時間要長得多，所以，CPU內部都有一些用來儲存關鍵變數和臨時資料的暫存器，這樣通常在cpu的指令集中專門提供一些指令，用來將一個字（可以理解為資料）從記憶體調入暫存器，以及將一個字從暫存器存入記憶體。cpu其他的指令集可以把來自暫存器、記憶體的運算元據組合，或者用兩者產生一個結果，比如將兩個字相加並把結果存在暫存器或記憶體中。這樣再次呼叫暫存器中的指令就會使等待時間大大縮短。

　　暫存器的分類：

　　1.儲存變數和臨時結果的通用暫存器。

　　2.多數計算機還有一些對程式設計師設計的專門暫存器，其中之一便是程式計數器（或稱為指令指標），它儲存了將要取出的下一條指令的記憶體地址。在指令取出後，程式計算器就被更新以便執行後期的指令。

　　3.另外一個暫存器便是堆疊指標，它指向記憶體中當前棧的頂端。該棧包含已經進入但是還沒有退出的每個過程中的一個框架。在一個過程的堆疊框架中儲存了有關的輸入引數、區域性變數以及那些沒有儲存在暫存器中的臨時變數。

　　4.最後一個非常重要的暫存器就是程式狀態字暫存器(Program Status Word,PSW),這個暫存器包含了條碼位(由比較指令設定)、CPU優先順序、模式（使用者態或核心態），以及各種其他控制位。使用者通常讀入整個PSW，但是只對其中少量的欄位寫入。在系統呼叫和I/O中，PSW非常非常非常非常非常非常重要。

　　除了在嵌入式系統中的非常簡單的CPU之外，多數CPU都有兩種模式，即核心態與使用者態。通常，PSW中有一個二進位制位控制這兩種模式。

　　核心態：當cpu在核心態執行時，cpu可以執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體的所有功能。（作業系統在核心態下執行，從而可以存取整個硬體）

　　使用者態：使用者程式在使用者態下執行，僅僅只能執行cpu整個指令集的一個子集，該子集中不包含操作硬體功能的部分，因此，一般情況下，在使用者態中有關I/O和記憶體保護（作業系統占用的記憶體是受保護的，不能被別的程式佔用），當然，在使用者態下，將PSW中的模式設定成核心態也是禁止的。

　　那為什麼需要設計出兩種工作模式呢？由於需要限制不同的程式之間的存取能力, 防止他們獲取別的程式的記憶體資料, 或者獲取外圍裝置的資料, 並行送到網路, CPU從而劃分出兩個許可權等級。

　　所有使用者程式都是執行在使用者態的，但是有時候程式確實需要做一些核心態的事情， 例如從硬碟讀取資料，或者從鍵盤獲取輸入等。而唯一可以做這些事情的就是作業系統，所以此時程式就需要向作業系統請求以程式的名義來執行這些操作。

這時需要一個這樣的機制: 使用者態程式切換到核心態，但是不能控制在核心態中執行的指令，這種機制叫系統呼叫（system call），在CPU中的實現稱之為陷阱指令(Trap Instruction)。

它們的工作流程如下:

1. 使用者態程式將一些資料值放在暫存器中, 或者使用引數建立一個堆疊(stack frame), 以此表明需要作業系統提供的服務。
2. 使用者態程式執行陷阱指令。
3. CPU切換到核心態, 並跳到位於記憶體指定位置的指令, 這些指令是作業系統的一部分, 他們具有記憶體保護, 不可被使用者態程式存取。
4. 這些指令稱之為陷阱(trap)或者系統呼叫處理器(system call handler)。他們會讀取程式放入記憶體的資料引數, 並執行程式請求的服務。
5. 系統呼叫完成後，作業系統會重置CPU為使用者態並返回系統呼叫的結果。

 　　多執行緒和多核晶片
Moore定律指出，晶片中的電晶體數量每18個月翻一倍，隨著電晶體數量的增多，更強大的功能成為了可能，如
　　I.第一步增強：在cpu晶片中加入更大的快取，一級快取L1，用和cpu相同的材質製成，cpu存取它沒有延時。
　　II.第二步增強：一個cpu中的處理邏輯增多，intel公司首次提出，稱為多執行緒（multithreading）或超執行緒（hyperthreading），對使用者來說一個有兩個執行緒的cpu就相當於兩個cpu。多執行緒執行cpu保持兩個不同的執行緒狀態，可以在納秒級的時間內來回切換，速度快到你看到的結果是並行的，偽並行的，然而多執行緒不提供真正的併行處理，一個cpu同一時刻只能處理一個進程（一個進程中至少一個執行緒，進程是資源單位而執行緒才是cpu的執行單位）。
　　III.第三步增強：除了多執行緒，還出現了包含2個或者4個完整處理器的cpu晶片，如下圖。要使用這類多核晶片肯定需要有多處理作業系統。

                                                                               

                                                                                                                                                                      圖3

　　記憶體

　　由於硬體技術的限制，我們可以製造出容量很小但很快的記憶體，也可以製造出容量很大但很慢的記憶體，魚與熊掌不可兼得，不可能製造出存取速度又快容量又大的記憶體。因此，現代計算機都把記憶體分成若干級，稱為Memory Hierarchy，按照離CPU由近到遠的順序依次是CPU暫存器、Cache、記憶體、硬碟，越靠近CPU的記憶體容量越小但存取速度越快，下圖給出了各種記憶體的容量和存取速度的典型值。

                                                                                                                                                                      圖4

 

　　暫存器、Cache和記憶體中的資料都是掉電丟失的，這稱為易失性記憶體（Volatile Memory），與之相對的，硬碟是一種非易失性記憶體（Non-volatile Memory）。
　　除了存取暫存器由程式指令直接控制之外，存取其它記憶體都不是由指令直接控制的，有些是硬體自動完成的，有些是作業系統配合硬體完成的。
　　Cache從記憶體取資料時一次取一個Cache Line快取起來，作業系統從硬碟取資料時一次取 幾KB快取起來，都是希望這些資料以後會被存取到。大多數程式的行為都具有區域性性 （Locality）的特點：它們會花費大量的時間反復執行一小段程式碼（例如迴圈），或者反 復存取一個很小的地址範圍中的資料（例如存取一個陣列）。所以預讀快取的辦法是很有 效的：CPU取一條指令，我把它相鄰的指令也都快取起來，CPU很可能馬上就會取 到；CPU存取一個資料，我把它相鄰的資料也都快取起來，CPU很可能馬上就會存取到。 設想有兩台計算機，一台有32KB的Cache，另一台沒有Cache，而記憶體都是512MB的， 硬碟都是100GB的，雖然多出來32KB的Cache和記憶體、硬碟的容量相比微不足道，但由 於區域性性原理，有Cache的計算機明顯會快很多。高速記憶體即使容量只能做得很小也能 顯著提升計算機的效能，這就是Memory Hierarchy的意義所在。

　　暫存器即L1快取：
　　用與cpu相同材質製造，與cpu一樣快，因而cpu存取它無延時，典型容量是：在32位元cpu中為32*32，在64位元cpu中為64*64，在兩種情況下容量均<1KB。

　　快取記憶體即L2快取：

　　主要由硬體控制快取記憶體的存取，記憶體中有快取記憶體行按照0~64位元組為行0，64~127為行1......最常用的快取記憶體行放置在cpu內部或者非常接近cpu的快取記憶體中。當某個程式需要讀一個儲存字時，快取記憶體硬體檢查所需要的快取記憶體行是否在快取記憶體中。如果是，則稱為快取記憶體命中，快取滿足了請求，就不需要通過匯流排把存取請求送往主記憶體(記憶體)，這畢竟是慢的。快取記憶體的命中通常需要兩個時鐘週期。快取記憶體未命中，就必須存取記憶體，這需要付出大量的時間代價。由於快取記憶體價格昂貴，所以其大小有限，有些機器具有兩級甚至三級快取記憶體，每一級快取記憶體比前一級慢但是容量大。

　　快取在電腦科學的許多領域中起著重要的作用，並不僅僅只是RAM（隨機存取記憶體）的快取行。只要存在大量的資源可以劃分為小的部分，那麼這些資源中的某些部分肯定會比其他部分更頻繁地得到使用。此時用快取可以帶來效能上的提升。一個典型的例子就是作業系統一直在使用快取，比如，多數作業系統在記憶體中保留頻繁使用的檔案（的一部分），以避免從磁碟中重複地呼叫這些檔案，類似的/root/a/b/c/d/e/f/a.txt的長路徑名轉換成該檔案所在的磁碟地址的結果然後放入快取，可以避免重複尋找地址，還有一個web頁面的url地址轉換為網路地址(IP)地址後，這個轉換結果也可以快取起來供將來使用。

　　快取是一個好方法，在現代cpu中設計了兩個快取，再看圖3中的兩種cpu設計。第一級快取稱為L1總是在CPU中，通常用來將已經解碼的指令調入cpu的執行引擎，對那些頻繁使用的資料自，多少晶片還會按照第二L1快取 。。。另外往往設計有二級快取L2，用來存放近來經常使用的記憶體字。L1與L2的差別在於對cpu對L1的存取無時間延遲，而對L2的存取則有1-2個時鐘週期（即1-2ns）的延遲。

　　記憶體：
　　再往下一層是主記憶體，此乃記憶體系統的主力，主記憶體通常稱為隨機存取儲存RAM，就是我們通常所說的記憶體，容量一直在不斷攀升，所有不能再快取記憶體中找到的，都會到主記憶體中找，主記憶體是易失性儲存，斷電後資料全部消失。
除了主記憶體RAM之外，許多計算機已經在使用少量的非易失性隨機存取儲存如ROM（Read Only Memory，ROM），在電源切斷之後，非易失性儲存的內容並不會丟失，ROM唯讀記憶體在工廠中就被程式設計完畢，然後再也不能修改。ROM速度快且便宜，在有些計算機中，用於啟動計算機的引導載入模組就存放在ROM中，另外一些I/O卡也採用ROM處理底層裝置的控制。
　　EEPROM（Electrically Erasable PROM，電可擦除可程式化ROM）和快閃記憶體（flash memory）也是非易失性的，但是與ROM相反，他們可以擦除和重寫。不過重寫時花費的時間比寫入RAM要多。在便攜式電子裝置中，快閃記憶體通常作為儲存媒介。快閃記憶體是數碼相機中的膠卷，是便攜式音譯播放器的磁碟，還應用於固態硬碟。快閃記憶體在速度上介於RAM和磁碟之間，但與磁碟不同的是，快閃記憶體擦除的次數過多，就被磨損了。
　　還有一類記憶體就是CMOS，它是易失性的，許多計算機利用CMOS記憶體來保持當前時間和日期。CMOS記憶體和遞增時間的電路由一小塊電池驅動，所以，即使計算機沒有加電，時間也仍然可以正確地更新，除此之外CMOS還可以儲存設定的引數，比如，哪一個是啟動磁碟等，之所以採用CMOS是因為它耗電非常少，一塊工廠原裝電池往往能使用若干年，但是當電池失效時，相關的設定和時間等都將丟失。

　　磁碟：

　　磁碟低速的原因是因為它是一種機械裝置，在磁碟中有一個或多個金屬碟片，它們以5400，7200或10800rpm（RPM =revolutions per minute 每分鐘多少轉 ）的速度旋轉。從邊緣開始有一個機械臂懸在盤面上，這類似於老式黑膠唱片機上的拾音臂。資訊寫在磁碟上的一些列的同心圓上，是一連串的2進位制位（稱為bit位），為了統計方便，8個bit稱為一個位元組bytes，1024bytes=1k，1024k=1M，1024M=1G,所以我們平時所說的磁碟容量最終指的就是磁碟能寫多少個2進位制位。
　　每個磁頭可以讀取一段環形區域，稱為磁軌。把一個機械手臂位置上所有的磁軌合起來，組成一個柱面。每個磁軌劃成若干磁區，磁區典型的值是512位元組。
　　資料都存放於一段一段的磁區，即磁軌這個圓圈的一小段圓圈，從磁碟讀取一段資料需要經歷尋道時間和延遲時間。
　　平均尋道時間：
　　機械手臂從一個柱面隨機移動到相鄰的柱面的時間成為尋到時間，找到了磁軌就以為著招到了資料所在的那個圈圈，但是還不知道資料具體這個圓圈的具體位置。
　　平均延遲時間：
　　機械臂到達正確的磁軌之後還必須等待旋轉到資料所在的磁區下，這段時間稱為延遲時間。
　　虛擬記憶體：
　　許多計算機支援虛擬記憶體機制，該機制使計算機可以執行大於實體記憶體的程式，方法是將正在使用的程式放入記憶體取執行，而暫時不需要執行的程式放到磁碟的某塊地方，這塊地方稱為虛擬記憶體，在linux中稱為swap。這種機制的核心在於快速地對映記憶體地址，由cpu中的一個部件負責，稱為記憶體管理單元(Memory Management Unit ，MMU)。
PS：從一個程式切換到另外一個程式，稱為上下文切換(context switch),快取和MMU的出現提升了系統的效能，尤其是上下文切換。

                                                                                                                                                               圖5

                                                                                                                                                                 圖6

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