计算机组成原理详解

一、计算机组成原理

1. 什么是计算机？

俗称电脑，即通电的大脑，电脑二字蕴含了人类对计算机的终极期望，希望它能真的像人脑一样去工作，从而解放人力。

2. 为什么要用计算机？

世界是由聪明的懒人统治的，任何时期，总有一群聪明的懒人想要奴隶别人。在奴隶制社会，聪明的懒人奴役的是真正的人，而人是无法不吃、不喝、不睡觉一直工作的，但是计算机作为一台机器是可以做到的，所以把计算机当奴隶是上上之选。

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3. 计算机的五大组成部分

计算机有五大组成部分，既然计算机是人的奴隶，那么计算机设计核心肯定也是在模仿真正的人，所以我们完全可以把计算机的五大组件比喻成人类的各种器官

• 控制器
  控制器是计算机的指挥系统，用来控制计算机其他组件的运行，相当于人类的大脑
• 运算器
  运算器是计算机的运算功能，用来做算术运算和逻辑运算，相当于人脑。
  ps：控制器+运算器=CPU，cpu相当于人的大脑
• 存储器
  存储器是计算机的记忆功能，用来存取数据。
  存储器主要分为内存与外存：
  ​ 内存相当于人的短期记忆。断电数据丢失
  ​ 外存(如磁盘),相当于记事的本子，断电数据不会丢失，是用来永久保存数据的
  ​ ps：内存的存取速度要远远高于外存
• 输入设备input
  输入设备是计算接收外界输入数据的工具，如键盘、鼠标，相当于人的眼睛或耳朵。
• 输出设备output
  输出设备是计算机向外输出数据的工具，如显示器、打印机，相当于人说的话，写出的文章。
  ps：存储器如内存、磁盘等既是输入设备又是输出设备，统称为IO设备
  一个非常重要的基础知识:与运行程序相关的三大核心硬件
  我们编写的程序一定是要运行于计算机硬件之上，而站在硬件的角度，与运行程序有关的三大核心硬件为CPU、内存、硬盘。
  程序最先是存放于硬盘中的，程序的运行是先从硬盘把代码加载到内存中，然后cpu是从内存中读取指令运行。

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4. 操作系统概述

• 操作系统的由来
  ​ 大前提：我们编程目的就是为了奴役计算机，让计算机硬件自发地运行起来，然而硬件毕竟是”死的“，硬件的运行都是由软件支配。倘若我们要开发一个应用程序，比如暴风音影，该软件的一个核心业务就是播放视频，开发者若要编写程序完成播放视频这个业务逻辑，必先涉及到底层硬件硬盘的基本运作（视频文件都是先存放于硬盘中），这意味着开发者在编写业务逻辑代码之前，必须先编写一个控制硬盘基本运行的控制程序，然而这仅仅只是一个开始，事实上，在编写应用程序的业务逻辑前，需要开发者编写出一套完整的控制程序用来控制所有硬件的基本运行（这要求开发者需要详细了解计算机硬件的各种控制细节，例如我们必须把CPU里面所有指令集都掌握一遍），如此，所有的开发者在开发程序时都必须依次开发两种：
  1、编写一套完整的的控制程序，用来控制硬件的基本运行，以及把复杂的硬件的操作封装成简单的接口
  2、基于控制程序的接口开发包含一系列业务逻辑的程序，为了与控制程序区分，可以称为应用程序，以ATM这款应用程序为例，业务逻辑有提款、转账、查询余额等
  ​ 综上，对于不同公司的开发者来说，应用程序的业务逻辑各不相同，但硬件的控制程序都大致相同，为了避免所有程序员做重复劳动，以及不用再耗费精力去了解所有硬件的运行细节，有公司专门跳出来承担起控制程序的开发任务，这里所说的控制程序指的就是操作系统。
  ​ 操作系统的功能就是帮我们把复杂的硬件的控制封装成简单的接口，对于开发应用程序来说只需要调用操作系统提供给我们的接口即可

• 系统软件与应用软件
  硬件以上运行的都是软件，而软件分为两类：

  1. 应用软件（例如qq、word、暴风影音、酷我音乐、pycharm等）
  2. 操作系统，操作系统应用软件与硬件之间的一个桥梁，是协调、管理、控制计算机硬件与应用软件资源的控制程序。

• 计算机系统三层结构
  综上，我们开发应用程序本质是在控制硬件，但是我们直接打交道的是操作系统，应用程序都是通过操作系统来间接地操作硬件的，所以一套完整的计算机系统分为三层，如下
  

• 平台
  应用程序都是运行于操作系统之上，而操作系统则是运行于硬件之上的，所以承载应用程序的是一台运行有操作系统的计算机，称之为应用程序的运行平台，即：硬件 + 操作系统 == 平台
  
  常见的平台有：windows系统+某款硬件、linux系统+某款硬件、ubuntu+某款硬件等，我们在开发应用程序时就需要考虑到应用程序的跨平台性，如果能开发出一款可以在任意平台运行的应用程序，那对于开发者来说真是极大的福音。而决定应用软件的跨平台性的关键因素往往是编程语言的选择，python恰好是一款跨平台性语言，这也是我们学习它的原因之一。

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二、CPU工作原理

CPU工作流程

CPU的核心工作在于进行运算和判断，那么要被运算与判断的数据是从哪里来的？
CPU读取的数据都是从主存储器（内存）来的，主存储器内的数据则是从输入单元所传输进来！而CPU处理完毕的数据也必须先写回主存储器中，最后数据才从主存储器传输到输出单元。
所以计算机五大组成部分的基本工作流程就是：输入单元=>主存储器=>CPU=>主存储器=>输出单元
而CPU会从内存中取指令->解码->执行，然后再取指->解码->执行下一条指令，周而复始，直至整个程序被执行完成。
总结CPU的大致工作流程就是：获取指令—>解码—>执行，详细见下图

CPU指令集

cpu是计算机的大脑，大脑里集成了一系列具体控制身体其他器官做事的指令集，所以站在纯硬件角度去看，计算机所有其他组件都由cpu发出的指令控制。
我们程序员编程的目的是为了控制计算机硬件工作，程序员的代码都会转换成cpu的指令集才能去控制其他硬件，所以程序员是通过直接控制cpu来达到间接控制其他硬件的目的，具体流程如下：
内存中存放的是程序员的代码/指令，cpu从内存中取出这些指令后需要翻译成自己的指令去执行，即cpu在出场时内部就集成了一系列的指令集(指令集是cpu的灵魂)。
​ 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，这就好比不同的人脑，对于大多数人类来说，人脑的结构一样，但是大家的智商都有差别。
那么目前世界上的主流CPU由那些呢？我们笔记本上贴的Intel、AMD是怎么回事呢？

1、CPU的分类（了解）

我们已经知道CPU内部是含有微指令集的，我们所使用的的软件都要经过CPU内部的微指令集来完成才行。这些指令集的设计主要又被分为两种设计理念，这就是目前世界上常见到的两种主要的CPU种类：分别是精简指令集（RISC）与复杂指令集（CISC）系统。下面我们就来谈谈这两种不同CPU种类的差异！

• 精简指令集(了解)
  　　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；但是若要做复杂的事情，就要由多个指令来完成。常见的RISC指令集CPU主要例如Sun公司的SPARC系列、IBM公司的Power Architecture（包括PowerPC）系列、与ARM系列等。【注：Sun已经被Oracle收购；】
  SPARC架构的计算机常用于学术领域的大型工作站中，包括银行金融体系的主服务器也都有这类的计算机架构；
  PowerPC架构的应用，如Sony出产的Play Station 3（PS3）使用的就是该架构的Cell处理器。
  ARM是世界上使用范围最广的CPU了，常用的各厂商的手机、PDA、导航系统、网络设备等，几乎都用该架构的CPU。

• 复杂指令集
  　　复杂指令集（Complex Instruction Set Computer，CISC）与RISC不同，在CISC的微指令集中，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。因此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的工作较为丰富。常见的CISC微指令集CPU主要有AMD、Intel、VIA等的x86架构的CPU。

• 总结：
  CPU按照指令集可以分为精简指令集CPU和复杂指令集CPU两种，区别在于前者的指令集精简，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；但是若要做复杂的事情，就要由多个指令来完成。后者的指令集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的工作较为丰富。

2、x86架构64位

• x86架构
  x86是针对cpu的型号或者说架构的一种统称，详细地讲，最早的那颗Intel发明出来的CPU代号称为8086，后来在8086的基础上又开发出了80285、80386…，因此这种架构的CPU就被统称为x86架构了。
  由于AMD、Intel、VIA所开发出来的x86架构CPU被大量使用于个人计算机上面，因此，个人计算机常被称为x86架构的计算机！
  程序员开发出的软件最终都要翻译成cpu的指令集才能运行，因此软件的版本必须与cpu的架构契合，举个例子，我们在MySQL官网下载软件MySQL时名字为：
  Windows(x86,32-bit),ZIP Archive
  (mysql-5.7.20-win32.zip)
  我们发现名字中有x86，这其实就是告诉我们：该软件应该运行在x86架构的计算机上。
• 64位
  cpu的位数指的是cpu一次性能从内存中取出多少位二进制指令，64bit指的是一次性能从内存中取出64位二进制指令。
  在2003年以前由Intel所开发的x86架构CPU由8位升级到16、32位，后来AMD依此架构修改新一代的CPU为64位，到现在，个人计算机CPU通常都是x86_64的架构。
  cpu具有向下兼容性，指的是64位的cpu既可以运行64位的软件，也可以运行32位的软件，而32位的cpu只能运行32位的软件。这其实很好理解，如果把cpu的位数当成是车道的宽，而内存中软件的指令当做是待通行的车辆，宽64的车道每次肯定既可以通行64辆车，也可以通信32辆车，而宽32的车道每次却只能通行32辆车

3、CPU历史(了解)
　　微处理器由一片或少数几片大规模集成电路组成的中央处理器。这些电路执行控制部件和算术逻辑部件的功能。微处理器能完成取指令、执行指令，以及与外界存储器和逻辑部件交换信息等操作，是微型计算机的运算控制部分。它可与存储器和外围电路芯片组成微型计算机。
计算机的发展主要表现在其核心部件——微处理器的发展上，每当一款新型的微处理器出现时，就会带动计算机系统的其他部件的相应发展，如计算机体系结构的进一步优化，存储器存取容量的不断增大、存取速度的不断提高，外围设备的不断改进以及新设备的不断出现等。根据微处理器的字长和功能，可将其发展划分为以下几个阶段。
第1阶段（1971——1973年）是4位和8位低档微处理器时代，通常称为第1代。
第2阶段（1974——1977年）是8位中高档微处理器时代，通常称为第2代。
第3阶段（1978——1984年）是16位微处理器时代，通常称为第3代。
第4阶段（1985——1992年）是32位微处理器时代，又称为第4代。
第5阶段（1993-2005年）是奔腾（pentium）系列微处理器时代，通常称为第5代。
第6阶段（2005年至今）是酷睿（core）系列微处理器时代，通常称为第6代。“酷睿”是一款领先节能的新型微架构，设计的出发点是提供卓然出众的性能和能效，提高每瓦特性能，也就是所谓的能效比。

4、 运算器与控制器（了解）

常将运算器和控制器合称为中央处理器(Central Processing Unit，CPU)。
其中运算器用来主要负责程序运算与逻辑判断，控制器则主要协调各组件和各单元的工作，所以CPU的工作主要在于管理和运算。可以说计算机的大脑就是CPU

1. 运算器
   运算器是对信息进行处理和运算的部件。经常进行的运算是算术运算和逻辑运算，所以运算器又可称为算术逻辑运算部件（Arithmetic and Logical，ALU）。
   运算器的核心是加法器。运算器中还有若干个通用寄存器或累加寄存器，用来暂存操作数并存放运算结果。寄存器的存取速度比存储器的存放速度快很多。

2. 控制器
   控制器是整个计算机的指挥中心，它的主要功能是按照人们预先确定的操作步骤，控制整个计算机的各部件有条不紊的自动工作。
   控制器从主存中逐条地读取出指令进行分析，根据指令的不同来安排操作顺序，向各部件发出相应的操作信号，控制它们执行指令所规定的任务。控制器中包括一些专用的寄存器。

5、cpu工作的两种状态内核态与用户态

内核态：运行的程序是操作系统，可以操作计算机硬件
用户态：运行的程序是应用程序，不可以直接操作计算机硬件
应用程序的运行必然涉及到计算机硬件的操作，所以计算机在工作时候频繁发生内核态与用户态的切换

6、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，还出现了包含2个或者4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

7、 存储器

• 寄存器即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3232，在64位cpu中为6464，在两种情况下容量均<1KB。

• 高速缓存即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。高速缓存为命中，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。

缓存在计算机科学的许多领域中起着重要的作用，并不仅仅只是RAM（随机存取存储器）的缓存行。只要存在大量的资源可以划分为小的部分，那么这些资源中的某些部分肯定会比其他部分更频发地得到使用，此时用缓存可以带来性能上的提升。一个典型的例子就是操作系统一直在使用缓存，比如，多数操作系统在内存中保留频繁使用的文件（的一部分），以避免从磁盘中重复地调用这些文件，类似的/root/a/b/c/d/e/f/a.txt的长路径名转换成该文件所在的磁盘地址的结果然后放入缓存，可以避免重复寻找地址，还有一个web页面的url地址转换为网络地址(IP)地址后，这个转换结果也可以缓存起来供将来使用。

缓存是一个好方法，在现代cpu中设计了两个缓存，再看4.1中的两种cpu设计图。第一级缓存称为L1总是在CPU中，通常用来将已经解码的指令调入cpu的执行引擎，对那些频繁使用的数据自，多少芯片还会按照第二L1缓存 。。。另外往往设计有二级缓存L2，用来存放近来经常使用的内存字。L1与L2的差别在于对cpu对L1的访问无时间延迟，而对L2的访问则有1-2个时钟周期（即1-2ns）的延迟。

内存：
RAM: 主存通常称为随机访问存储RAM，就是我们通常所说的内存，容量一直在不断攀升，所有不能再高速缓存中找到的，都会到主存中找，主存是易失性存储，断电后数据全部消失
ROM: 除了主存RAM之外，许多计算机已经在使用少量的非易失性随机访问存储如ROM（Read Only Memory，ROM），在电源切断之后，非易失性存储的内容并不会丢失，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。

CMOS: 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

# TB,PB, Eb, Zb, YB
1B= 8bit
1KB=2(10)B=1024B； 括号中的数字为2的指数(即多少次方) 
1MB=2(10)KB=1024KB=2(20)B； 
1GB=2(10)MB=1024MB=2(30)B。 
1TB=2(10) GB=1024GB=2(40)B 
1PB=2(10) TB=1024TB=2(50)B 
1EB=2(10) PB=1024PB=2(60)B 
1ZB=2(10) EB=1024EB=2(70)B 
1YB=2(10) ZB=1024ZB=2(80)B 

1Byte相当於一个英文字母
Kilobyte(KB)=1024B相当於一则短篇故事的内容。 
Megabyte(MB)=l024KB相当於一则短篇小说的文字内容。 
Gigabyte(GB)=1024MB相当於贝多芬第五乐章交响曲的乐谱内容。 
Terabyte(TB)=1024GB相当於一家大型医院中所有的X光图片资讯量。 
Petabyte(PB)=l024TB相当於50%的全美学术研究图书馆藏书资讯内容。 
Exabyte (EB)=1024PB；5EB相当於至今全世界人类所讲过的话语。 
Zettabyte(ZB)=1024EB如同全世界海滩上的沙子数量总和。 
Yottabyte(YB)=1024ZB相当於7000位人类体内的微细胞总和。

8、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取执行，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)

PS：从一个程序切换到另外一个程序，成为上下文切换(context switch),缓存和MMU的出现提升了系统的性能，尤其是上下文切换

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启动计算机

在计算机的主板上有一个基本的输入输出程序（Basic Input Output system)
BIOS就相当于一个小的操作系统，它有底层的I/O软件，包括读键盘，写屏幕，进行磁盘I/O,该程序存放于一非易失性闪存RAM中。

启动流程:

1.计算机加电

2.BIOS开始运行，检测硬件：cpu、内存、硬盘等

3.BIOS读取CMOS存储器中的参数，选择启动设备

4.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）

5.根据分区信息读入bootloader启动装载模块，启动操作系统

6.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

linux系统centos7启动顺序：https://www.cnblogs.com/linhaifeng/articles/13274099.html