计算机硬件的开发及应用,全面解析计算机硬件

计算机硬件(Computerhardware)是指计算机系统中由电子，机械和光电元件等组成的各种物理装置的总称。这些物理装置按系统结构的要求构成一个有机整体为计算机软件运行提供物质基础。简言之，计算机硬件的功能是输入并存储程序和数据，以及执行程序把数据加工成可以利用的形式。从外观上来看，微机由主机箱和外部设备组成。主机箱内主要包括CPU、内存、主板、硬盘驱动器、光盘驱动器、各种扩展卡、连接线、电源等；外部设备包括鼠标、键盘等。

一、编程语言是用来定义计算机程序的形式语言，用来向计算机发出指令，让程序员准确地定义计算机需要的数据，在不同情况下所应当采取的行动。应用程序用编程语言开发出来，形成一个例如QQ的软件，随之在计算机操作系统上运行，由操作系统调用计算机硬件进行操作。三者相辅相成，如应用程序直接操作计算机硬件则会严重影响开发效率，这时候就需要一个既定的已编写成熟的操作系统作为一个接口进行桥接，计算机硬件支持操作系统，操作系统支持应用程序。反过来，应用程序向操作系统发出指令，操作系统操控硬盘等计算机硬件。

二、cpu-》内存-》磁盘，CPU与寄存器

CPU是计算机的中央处理器，类似人的大脑，主要用来解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。内存是计算机内部存储器，断电后会丢失，也计算机磁盘与CPU沟通的桥梁，CPU将进行运算的数据暂存与内存中，运算完成后再送出来。磁盘是计算机的外部存储器，具有永久保存的效果。用户可以将数据保存于磁盘中，需要使用时，向CPU发送指令，然后由内存向磁盘调用，内存相当一个缓冲地带，决定电脑调用磁盘的哪一部分。

CPU的运作就是一个取指令->解码->执行的一个循环过程，周而复始完成整个程序。由于直接访问内存得到的反馈时间略久于CPU直接运行，故CPU中会有一些暂存指令、数据和地址的部件即寄存器。寄存器可分为通用寄存器、程序计数器、堆栈指针、程序状态字寄存器。

1.通用寄存器用来保存变量和临时结果。

2.程序计数器是用于存放下一条指令所在单位的地址的地方，在一个指令取出后，程序计数器将被更新以便执行后面的指令。

3.堆栈指针按“先进后出”的原则存取数据，指向内存中当前栈的顶端，包含已经进入没有退出的过程的框架。在堆栈框架中保存了有关输入参数、局部变量以及没有保存的临时变量。

4.程序状态字寄存器用于操作系统在用户态与内核态之间的切换，用来存放各种状态信息和控制信息。包含了条码位、CPU优先级、模式以及其他控制位。

三、内核态与用户态及如何切换

由于操作系统的很多操作消耗系统的物理资源，所以不可能任何操作都可以让任何程序来做，于是产生了特权级别的概念，与系统相关的关键操作需要高级别的程序完成，达到减少资源使用和集中管理的目的，这就是内核态和用户态。CPU在内核态运行时，可以执行所有指令，在用户态下运行时，仅仅能执行一部分，用户态下工作时不能直接操作硬件，而是需要使用系统调用，向操作系统申请使用服务例程来处理任务，即一个特别的过程调用指令，这就是内核态与用户态的切换。

四、存储器系列

寄存器即L1缓存，与CPU相同材质制造，速度一样快。

由于L1缓存容量的限制，为了再次提高CPU的运算速度，CPU外部通常放置高速存储器即高速缓存，L2缓存，工作主频比较灵活。CPU在读取数据时，先从L1中寻找，再从L2寻找。每一级缓存速度比前一级慢但是容量大，但由于造价昂贵，所以其大小有限。在高速缓存之外，就是内存。内存是计算机重要部件之一，是与CPU沟通的桥梁，几乎所有程序的运行都是在内存中进行的，它具有易失性，断电后消失数据。除了主存(RAM)外，还有非易失性随机访问存储如ROM、EEPROM以及闪存。ROM在工厂中被编程完毕，是只读存储，而EEPROM与闪存是可以擦除重写，三者都是非易失性，闪存速度比RAM慢但比磁盘要快。

计算机还有一种存储器是CMOS，CMOS是电脑主板上的一块RAM芯片，用来存放系统参数，也就是系统通过BiOS设置对CMOS参数进行设置，比如计算机系统时间、系统密码、设备启动顺序等。CMOS通过BIOS电池供电，就是纽扣电池，日常生活中使用计算机可能会遇到BIOS不存，开机进入BIOS或者开机时间不同步，可能就是因为BIOS电池故障造成的。

外存

PC常用的外存是软磁盘(简称软盘)和硬磁盘(简称硬盘)，但是光盘、U盘、移动硬盘的使用也越来越普及。下面介绍常用的外存。

硬盘

从数据存储原理和存储格式上看，硬盘与软盘完全相同。但硬盘的磁性材料是涂在金属、陶瓷或玻璃制成的硬盘基片上，而软盘的基片是塑料的。硬盘的转速和容量会影响读写速度和系统运行速度，所以好的软盘便更有耐久性。硬盘相对软盘来说，主要是存储空间比较大，有的硬盘容量已在2TB以上。硬盘大多由多个盘片组成，此时，除了每个盘片要分为若干个磁道和扇区以外，多个盘片表面的相应磁道将在空间上形成多个同心圆柱面。

光盘

用于计算机系统的光盘有三类：只读光盘(CD-ROM)、一次写入光盘(CD-R)和可擦写光盘(CD-RW)等。

五、磁盘结构，平均寻道时间，平均延迟时间

磁盘的物理组成简单来说是由盘片、磁头和支持电路三部分组成。磁头在盘面转动时划出的一段轨道，或者说以盘面中心延伸出的各个同心圆，称为磁道。由于硬盘由多个盘面重叠组成，所以多个重叠盘面的相同位置磁道组合在一起，组成一个柱面。每个磁道还可分为许多个扇形区域，叫做扇区，数据存放于这些许多个扇区中，在DOS中每个扇区是512字节。

磁头从接到计算机命令开始移动到需要的数据所在磁道的平均时间，为平均寻道时间。平均寻道时间往往体现磁盘读取数据的能力，时间越小，磁盘运行速率也就越快。当磁头寻到数据所在正确磁道后，还不一定到达数据所在扇区，所以磁头从到达正确磁道开始移动到所在磁道正确扇区的平均时间，也是平均延迟时间。

六、虚拟内存与MMU

电脑中所运行的程序均需要内存执行，为了缓解内存的压力，Windows系统运用了虚拟内存技术，即把硬盘的一部分空间取出充当内存使用。当程序运行超过最大物理内存时，便调用虚拟内存，二者相互灵活转换，可以适当加强计算机处理大型程序的能力。这种相互转换的能力，由CPU中的一个部件，存储器管理单元(MMU)负责，它负责程序之间的上下文切换，提供硬件机制的内存访问授权，是虚拟内存与物理内存的控制线路。

七、磁带

磁带是一种柔软的带状磁性记录介质，以顺序方式存取数据，可以脱机保存和互换读出，具有存储容量大、价格低廉、携带方便的特点，常被用作备份。

八、设备驱动与控制器

管理和控制计算机所有输入/输出(I/O)设备是操作系统的主要功能之一，I/O设备一般包括设备控制器和设备本身。设备控制器负责控制一个或多个I/O设备，它接收CPU的命令，去控制I/O设备工作，从而实现I/O设备和计算机之间的数据交换。设备驱动是操作系统与I/O设备之间的耦合剂，驱动负责操作系统的请求传输并转化为物理设备能理解的命令，设备本身具有简单的接口且标准的，方便人们编写对应的驱动程序。

九、总线与南桥和北桥

总线是计算机各功能部件传送信息的公共通信干线，可分为数据总线、地址总线和控制总线。主机各部件通过总线连接，外部设备通过相应接口与总线连接，从而形成计算机硬件系统。

南桥即系统I/O芯片，主要管理中低速外部设备，连接ISA-PCI、CPU-外设、内存-外存。

北桥是系统控制芯片，主要负责CPU与内存、CPU与PCI-E的通信，掌控高速设备。

十、操作系统、应用系统的启动流程

计算机需要启动时，首先要给计算机加电，随之会进入主板预设的输入输出程序，即BIOS。BIOS运行后，会开始检测CPU内存硬盘等硬件，叫做系统自检。然后BIOS读取CMOS中用户预设的参数，按照引导顺序，加载主引导记录以及引导驱动器的分区表，执行MBR，在硬盘上找到可引导分区，将操作系统将硬盘等大容量存储器传送到主存储器的易失区，控制权交给分区引导记录，由分区引导记录定位根目录，装入操作系统，操作系统开始接管并开始控制机器活动。

操作系统询问BIOS获得配置信息，检测设备的驱动程序是否存有，设备驱动程序全部完成后，将被调入内核，随后初始化相关表格，创建进程，随之得以在终端上启动应用程序。

应用程序启动：用户点击程序快捷方式--链接至程序所在目录真实程序--程序运行并向系统发送请求--读取存取在硬盘中的数据--数据加载在内存中--CPU读取内存并开始运行。

应用程序的启动流程：先由输入设备(如鼠标)提出请求——>由控制器输入信号——>设备驱动程序运行——>操作系统接受——>从硬盘寻找该应用所在的位置——>cpu从内存中读取——>运行该应用程序。在这个过程中，操作系统无时无刻不在进行着监视，只要请求提出或者事件一发生，操作系统就会立马做出反应。

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