計(jì)算機(jī)硬件

計(jì)算機(jī)（Computer）：俗稱電腦，是一種能接收和存儲(chǔ)信息，并按照存儲(chǔ)在其內(nèi)部的程序?qū)Ａ繑?shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)、高速地處理，然后把處理結(jié)果輸出的現(xiàn)代化智能電子設(shè)備。 發(fā)展歷史： * 第一代計(jì)算機(jī)(1946-1957) 電子管時(shí)代 * 第二代計(jì)算機(jī)(1958-1964) 晶體管時(shí)代 * 第三代計(jì)算機(jī)(1965-1970) 集成電路時(shí)代 * 第四代計(jì)算機(jī)(1971以后) 大規(guī)模集成電路時(shí)代

1946年,世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)ENIAC(electronic numerical integrator and calculator)在美國(guó)賓州大學(xué)誕生，是美國(guó)奧伯丁武器試驗(yàn)場(chǎng)為了滿足計(jì)算彈道需要而研成的。使用了17468只電子管，占地170平方米,重達(dá)30噸，耗電174千瓦，耗資40多萬(wàn)美元。每秒可進(jìn)行5000次加法或減法運(yùn)算。

計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)

程序是由指令和數(shù)據(jù)組成的，而程序只有載入內(nèi)存才能被計(jì)算機(jī)執(zhí)行，那么計(jì)算機(jī)開機(jī)之后怎么知道CPU、內(nèi)存等硬件是否良好，怎么知道自身有幾塊硬盤以及啟動(dòng)次序呢？也就是如何實(shí)現(xiàn)“加電自檢”？這就需要計(jì)算機(jī)要有能夠?qū)崿F(xiàn)自舉的能力將自身的元件激活，然后加載操作系統(tǒng)，讓操作系統(tǒng)去實(shí)現(xiàn)自舉程序無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能。那么我們所說(shuō)的自舉程序是什么呢？計(jì)算機(jī)有是如何實(shí)現(xiàn)自舉的呢？我們先來(lái)了解計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)！

計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)包括運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器和輸入輸出設(shè)備五大部件組成，這是由美籍匈牙利科學(xué)家馮.諾唯曼于 1946 年提出的。運(yùn)算器實(shí)現(xiàn)運(yùn)算，控制器控制運(yùn)算器到內(nèi)存的什么位置取數(shù)據(jù)又將數(shù)據(jù)存在什么位置，存儲(chǔ)器在這里我們指的是內(nèi)存，鍵盤鼠標(biāo)是我們的常見的輸入設(shè)備，屏幕是我們常見的輸出設(shè)備，而硬盤既是輸入設(shè)備又是輸出設(shè)備。

我們以加法器來(lái)說(shuō)一下運(yùn)算器，其實(shí)運(yùn)算器是由許多個(gè)加法器組成的，即使是做減法運(yùn)算也是將減法換算成加法來(lái)進(jìn)行運(yùn)算。例如要做二進(jìn)制“1+0”的加法運(yùn)算，輸入 A 的開關(guān)就閉合的，輸入 B 的開關(guān)就是斷開的，然后輸出端的就有了電壓。但是，運(yùn)算的過(guò)程中有可能會(huì)產(chǎn)生進(jìn)位，因此還有有進(jìn)位輸出。計(jì)算機(jī)只能進(jìn)行二進(jìn)制的運(yùn)算，為什么呢？如果運(yùn)算器可以進(jìn)行十進(jìn)制“3+5”的運(yùn)算， 我們是否可以將輸入 A 加一個(gè) 3V 的電壓， 輸入 B 加 5V 電壓，最后輸出一個(gè) 8V 的電壓。但是線路是有電阻的，在電的傳輸過(guò)程中就會(huì)產(chǎn)生壓降，整數(shù)的運(yùn)算尚可以接受，那么小數(shù)呢？“0.03+0.05”該如何運(yùn)算？顯然十進(jìn)制不可以的！

其實(shí)這種推論很荒唐，但是不管怎么說(shuō)運(yùn)算器是進(jìn)行二進(jìn)制的運(yùn)算。運(yùn)算器是基于電學(xué)和邏輯學(xué)實(shí)現(xiàn)計(jì)算的一種電子設(shè)備，是電子設(shè)備就要符合電路的基本原理，要實(shí)現(xiàn)計(jì)算就要通過(guò)運(yùn)算器中大規(guī)模邏輯門電路來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算。

內(nèi)存是平面編址設(shè)備，所謂平面編址就是將內(nèi)存的基本單位從一排到最后。與之相反的一種編址方式是三維編址，例如我們把一個(gè)國(guó)家分成 34 個(gè)省直轄市特別行政區(qū)，然后一個(gè)省又分成若干個(gè)市，市又分成若干個(gè)縣。所以，到這里大家應(yīng)該就能明白什么叫平面編址了吧！內(nèi)存在計(jì)算機(jī)中起到一個(gè)什么作用呢？其實(shí)內(nèi)存存儲(chǔ)的是磁信號(hào)，而電磁是是可以相互轉(zhuǎn)換的。運(yùn)算器讀內(nèi)存中的數(shù)據(jù)時(shí)，內(nèi)存中的磁信號(hào)轉(zhuǎn)換成 CPU 針腳上的電信號(hào)；反過(guò)來(lái)，運(yùn)算器寫數(shù)據(jù)時(shí)是通過(guò)針腳上有無(wú)電壓轉(zhuǎn)換到內(nèi)存中磁信號(hào)。

說(shuō)到內(nèi)存，我們不得不提一提計(jì)算機(jī)的位，常見的有 32 位和 64 位。有人常說(shuō) 32 位的操作系統(tǒng)內(nèi)存最大可以使用 4G 的內(nèi)存。這里的位相對(duì)于寄存器的位數(shù)而言的，現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的寄存器，物理地址總線寬度是相同的，因此在保護(hù)模式下 32 位的 CPU 的尋址能力 2^32，也就是 4G；而 64 位的 CPU 的尋址能力為 2^64，也就是 4G 個(gè) 4G，當(dāng)然不是 16G ?。∫话愣?，64 位的 CPU 比 32 位的 CPU 運(yùn)算速度快，但是要想讓一個(gè)軟件有 64 位的速度，前提是 CPU、操作系統(tǒng)和軟件都是 64 位！

由于內(nèi)存是易失性存儲(chǔ)設(shè)備，我們就期望有一種設(shè)備能將運(yùn)算的結(jié)果長(zhǎng)久的保存，這就用到了硬盤。輸入輸出設(shè)備其實(shí)就是我們與計(jì)算機(jī)之間交互的一種中間設(shè)備，那么當(dāng)我們敲鍵盤或點(diǎn)鼠標(biāo)這種信息是如何被計(jì)算機(jī)捕捉到呢？在 CPU 內(nèi)部有一種叫可編程中斷控制器用于捕捉我們這種動(dòng)作信息，然后交由運(yùn)算器進(jìn)行處理。

在計(jì)算機(jī)中運(yùn)算器的運(yùn)算速度要比內(nèi)存快的的多的多，為了提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度，CPU 內(nèi)部集成了緩存，緩存的速度比運(yùn)算器的速度慢但是比內(nèi)存的速度快。因此，相同主頻的 CPU 未必運(yùn)算速度就一樣。緩存要想工作，就要遵循程序的局部性原理，所謂程序的局部性原理包括時(shí)間上的局部性和空間上的局部性。時(shí)間上的局部性是指上一次訪問(wèn)的數(shù)據(jù)很有可能再次訪問(wèn)就放到二級(jí)緩存再放到一級(jí)緩存，空間上的局部性是指現(xiàn)在訪問(wèn)的數(shù)據(jù)的周圍的數(shù)據(jù)將可能被訪問(wèn)到就載入緩存。

最后，我們回過(guò)頭來(lái)說(shuō)計(jì)算機(jī)的自舉。ROM 是只讀存儲(chǔ)器，內(nèi)部存儲(chǔ)了 BIOS（Basic Input Output System）程序，這段程序由計(jì)算機(jī)的硬件邏輯完成的。計(jì)算一開機(jī)的時(shí)候，ROM 芯片中的 BIOS 程序(也就我們之前所說(shuō)的自舉程序)會(huì)被映射到內(nèi)存最開始的地方，然后由這段程序來(lái)完成加電自檢。我們?yōu)槭裁匆〞r(shí)間來(lái)講計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)呢？因?yàn)?，我們后期的系統(tǒng)調(diào)優(yōu)要用到這些理論性的東西。

計(jì)算機(jī)的主板上有北橋控制器和南橋控制器，北橋控制器是高速總線控制器，一般用于連接內(nèi)存等需要速度快且數(shù)據(jù)量大的設(shè)備，然后連接到 CPU；而南橋是低速總線控制器，用于連接速度較慢的鍵盤鼠標(biāo)網(wǎng)卡等，然后匯總交由北橋，最后傳輸?shù)?CPU。而現(xiàn)在，為了提速，內(nèi)存有可能不在通過(guò)北橋連接到 CPU，而是直接連到 CPU；硬盤是機(jī)械設(shè)備，有的服務(wù)器直接采用固態(tài)硬盤，然后將固態(tài)硬盤接入北橋控制器。這就是硬件調(diào)優(yōu)！

操作系統(tǒng)

試想一下，我們寫一個(gè)程序在 Intel CPU 上能運(yùn)行，在 Motorola CPU 上能運(yùn)行嗎？不能！因?yàn)檫@兩種 CPU 的運(yùn)行機(jī)制是不同的。CPU 只能識(shí)別二進(jìn)制，如果我們用二進(jìn)制來(lái)編程那就太困難了，因此 CPU 自帶微碼，也就是匯編語(yǔ)言，匯編語(yǔ)言是人類容易識(shí)別的語(yǔ)言，但是匯編語(yǔ)言跟硬件的結(jié)合成都很高，在 Intel CPU 上寫的程序依然無(wú)法在 Motorola CPU 上運(yùn)行。 因此就有人將底層的功能抽象出來(lái)提供統(tǒng)一的 API 接口， 程序員只需要根據(jù)接口編程，不用管底層硬件的不同。這種程序所用的語(yǔ)言就是高級(jí)語(yǔ)言。

早期的計(jì)算機(jī)，輸入設(shè)備穿孔紙帶，輸出設(shè)備發(fā)光二極管，然后由記錄員記錄計(jì)算機(jī)的執(zhí)行結(jié)果。再后來(lái)就出現(xiàn)了磁帶機(jī)，磁帶機(jī)的速度比穿孔紙帶的速度快了許多。這個(gè)時(shí)期出現(xiàn)了批處理系統(tǒng)，所謂批處理系統(tǒng)就是將一批作業(yè)提交給操作系統(tǒng)之后就不再干預(yù)，由操作系統(tǒng)控制他們自動(dòng)運(yùn)行。各個(gè)任務(wù)之間會(huì)有間隔符號(hào)，當(dāng)一個(gè)任務(wù)結(jié)束后，監(jiān)督程序會(huì)識(shí)別到任務(wù)結(jié)束，然后將控制權(quán)交由下一個(gè)任務(wù)。雖然批處理系統(tǒng)能讓程序連續(xù)運(yùn)行，減少任務(wù)與任務(wù)之間空閑時(shí)間所消耗的成本，但是計(jì)算機(jī)計(jì)算的速度很快而輸入很慢。

于是，在 1964 年，由 AT&T 的 bell 實(shí)驗(yàn)室、MIT（麻省理工學(xué)院）和 GE（美國(guó)通用電氣公司）共同研發(fā)名為multics 的分時(shí)操作系統(tǒng)，也由此開啟了現(xiàn)代操作系統(tǒng)的新紀(jì)元?，F(xiàn)代操作系統(tǒng)與以往不同之處在于可以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)，使得計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力被充分利用。但是計(jì)算機(jī)只有一顆 CPU 和一段內(nèi)存，那么該如何實(shí)現(xiàn)多任務(wù)呢？CPU 的計(jì)算能力是根據(jù)時(shí)間的流逝而完成， 因此將 CPU 的運(yùn)算資源劃分成一個(gè)一個(gè)時(shí)間片（slice）。 假設(shè)每個(gè)時(shí)間片 1ms、有兩個(gè)程序，那么第一個(gè)程序運(yùn)行 1ms,然后第二個(gè)程序再運(yùn)行 1ms,這樣交替執(zhí)行。內(nèi)存呢？將內(nèi)存分段，這里就有了虛擬地址空間的概念，也就是說(shuō)，32 位操作系統(tǒng)下的程序假設(shè)自身有 4G 內(nèi)存！