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).

　　存儲器：用來存儲正在進行程序、將要進行程序的數據及剛處理完的數據.

　　控制器：負責發送和接收指令.

　　輸入設備：用來進行輸入的設備,如鍵鼠、掃描儀等.

　　輸出設備：用來進行輸出的設備,如顯示器、音響等.

　　整個計算機系統由硬件和軟件所組成.人們把沒有安裝任何軟件的計算機稱為裸機.裸機是不能執行任何計算和處理,必須通過軟件系統來使它運行起來.軟件也可以理解為程序,程序是通過編程語言完成的,這是人們與計算機進行溝通的重要渠道.軟件一般分為系統軟件和應用軟件.

　　系統軟件是指控制和協調計算機及外部設備,支持應用軟件開發和運行的系統,是無需用戶干預的各種程序的集合,主要功能是調度,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件,使得它們可以協調工作.系統軟件使得計算機使用者和其他軟件將計算機當作一個整體而不需要顧及到底層每個硬件是如何工作的.這就為程序員進行應用軟件的開發清除了很多障礙.系統軟件舉例：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.應用程序是用戶利用計算機來辦理某些問題所編制的程序,如工程設計程序、數據處理程序、自動控制程序、企業管理程序、情報檢索程序、科學計算程序等等.

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　　CPU(Center?Processing?Unit,集運算及控制)

　　整個計算機硬件系統中,最重要的當屬CPU了,它在整個計算機系統中的作用就相當于我們的大腦.它從內存中取指令->解碼->執行,然后再取指令->解碼->執行下一條指令,周而復始,直至整個程序被執行完成.因為拜訪內存以得到指令或數據的時間比cpu執行指令花費的時間要長得多,所以,CPU內部都有一些用來保存關鍵變量和臨時數據的寄存器,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(可以理解為數據)從內存調入寄存器,以及將一個字從寄存器存入內存.cpu其他的指令集可以把來自寄存器、內存的操作數據組合,或者用兩者產生一個結果,比如將兩個字相加并把結果存在寄存器或內存中.這樣再次調用寄存器中的指令就會使等待時間大大縮短.

　　存放器的分類：

　　1.保留變量和臨時結果的通用寄存器.

　　2.多數計算機還有一些對程序員設計的專門寄存器,其中之一便是程序計數器(或稱為指令指針),它保留了將要取出的下一條指令的內存地址.在指令取出后,程序計算器就被更新以便執行后期的指令.

　　3.另外一個寄存器便是堆棧指針,它指向內存中當前棧的頂端.該棧包括已經進入但是還沒有退出的每個過程中的一個框架.在一個過程的堆棧框架中保存了有關的輸入參數、局部變量以及那些沒有保存在寄存器中的臨時變量.

　　4.最后一個非常重要的寄存器就是程序狀態字寄存器(Program Status Word,PSW),這個寄存器包括了條碼位(由比較指令設置)、CPU優先級、模式(用戶態或內核態),以及各種其他控制位.用戶通常讀入整個PSW,但是只對其中少量的字段寫入.在系統調用和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,多半CPU都有兩種模式,即內核態與用戶態.通常,PSW中有一個二進制位控制這兩種模式.

　　內核態：當cpu在內核態運行時,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件的所有功能.(操作系統在內核態下運行,從而可以拜訪整個硬件)

　　用戶態：用戶程序在用戶態下運行,僅僅只能執行cpu整個指令集的一個子集,該子集中不包括操作硬件功能的部分,因此,一般情況下,在用戶態中有關I/O和內存保護(操作系統占用的內存是受保護的,不能被別的程序占用),當然,在用戶態下,將PSW中的模式設置成內核態也是禁止的.

　　那為什么需要設計出兩種工作模式呢?由于需要限制不同的程序之間的拜訪能力, 防止他們獲取別的程序的內存數據, 或者獲取外圍設備的數據, 并發送到網絡, CPU從而劃分出兩個權限等級.

　　所有用戶程序都是運行在用戶態的,但是有時候程序確實需要做一些內核態的事情, 例如從硬盤讀取數據,或者從鍵盤獲取輸入等.而唯一可以做這些事情的就是操作系統,所以此時程序就需要向操作系統哀求以程序的名義來執行這些操作.

這時必要一個這樣的機制: 用戶態程序切換到內核態,但是不能控制在內核態中執行的指令,這種機制叫系統調用(system call),在CPU中的實現稱之為陷阱指令(Trap Instruction).

它們的事情流程如下:

1. 用戶態程序將一些數據值放在寄存器中, 或者使用參數創建一個堆棧(stack frame), 以此表明需要操作系統提供的服務.
2. 用戶態程序執行陷阱指令.
3. CPU切換到內核態, 并跳到位于內存指定位置的指令, 這些指令是操作系統的一部分, 他們具有內存保護, 不可被用戶態程序訪問.
4. 這些指令稱之為陷阱(trap)或者系統調用處理器(system call handler).他們會讀取程序放入內存的數據參數, 并執行程序哀求的服務.
5. 系統調用完成后,操作系統會重置CPU為用戶態并返回系統調用的結果.

?　　多線程和多核芯片
Moore定律指出,芯片中的晶體管數量每18個月翻一倍,隨著晶體管數量的增多,更強大的功能成為了可能,如
　　I.第一步增強：在cpu芯片中加入更大的緩存,一級緩存L1,用和cpu相同的材質制成,cpu訪問它沒有延時.
　　II.第二步增強：一個cpu中的處理邏輯增多,intel公司首次提出,稱為多線程(multithreading)或超線程(hyperthreading),對用戶來說一個有兩個線程的cpu就相當于兩個cpu.多線程運行cpu保持兩個不同的線程狀態,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并發的,偽并行的,然而多線程不提供真正的并行處理,一個cpu同一時刻只能處理一個進程(一個進程中至少一個線程,進程是資源單位而線程才是cpu的執行單位).
　　III.第三步增強：除了多線程,還出現了包含2個或者4個完整處理器的cpu芯片,如下圖.要使用這類多核芯片肯定需要有多處理操作系統.

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　　存儲器

　　由于硬件技術的限制,我們可以制造出容量很小但很快的存儲器,也可以制造出容量很大但很慢的存儲器,魚與熊掌不可兼得,不可能制造出訪問速度又快容量又大的存儲器.因此,現代計算機都把存儲器分成若干級,稱為Memory Hierarchy,依照離CPU由近到遠的順序依次是CPU寄存器、Cache、內存、硬盤,越靠近CPU的存儲器容量越小但訪問速度越快,下圖給出了各種存儲器的容量和訪問速度的典型值.

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　　寄存器、Cache和內存中的數據都是掉電丟失的,這稱為易失性存儲器(Volatile Memory),與之相對的,硬盤是一種非易失性存儲器(Non-volatile Memory).
　　除了拜訪寄存器由程序指令直接控制之外,拜訪其它存儲器都不是由指令直接控制的,有些是硬件自動完成的,有些是操作系統配合硬件完成的.
　　Cache從內存取數據時一次取一個Cache Line緩存起來,操作系統從硬盤取數據時一次取 幾KB緩存起來,都是希望這些數據以后會被拜訪到.大多數程序的行為都具有局部性 (Locality)的特點：它們會花費大量的時間反復執行一小段代碼(例如循環),或者反 復拜訪一個很小的地址范圍中的數據(例如拜訪一個數組).所以預讀緩存的辦法是很有 效的：CPU取一條指令,我把它相鄰的指令也都緩存起來,CPU很可能馬上就會取 到；CPU拜訪一個數據,我把它相鄰的數據也都緩存起來,CPU很可能馬上就會拜訪到. 設想有兩臺計算機,一臺有32KB的Cache,另一臺沒有Cache,而內存都是512MB的, 硬盤都是100GB的,雖然多出來32KB的Cache和內存、硬盤的容量相比微不足道,但由 于局部性原理,有Cache的計算機明顯會快很多.高速存儲器即使容量只能做得很小也能 顯著提升計算機的性能,這就是Memory Hierarchy的意義所在.

　　寄存器即L1緩存：
　　用與cpu相同材質制造,與cpu一樣快,因而cpu拜訪它無延時,典型容量是：在32位cpu中為32*32,在64位cpu中為64*64,在兩種情況下容量均<1KB.

　　高速緩存即L2緩存：

　　主要由硬件控制高速緩存的存取,內存中有高速緩存行按照0~64字節為行0,64~127為行1......最常用的高速緩存行放置在cpu內部或者非常接近cpu的高速緩存中.當某個程序需要讀一個存儲字時,高速緩存硬件檢查所需要的高速緩存行是否在高速緩存中.如果是,則稱為高速緩存命中,緩存滿足了哀求,就不需要通過總線把訪問哀求送往主存(內存),這畢竟是慢的.高速緩存的命中通常需要兩個時鐘周期.高速緩存未命中,就必須訪問內存,這需要付出大量的時間代價.由于高速緩存價格昂貴,所以其大小有限,有些機器具有兩級甚至三級高速緩存,每一級高速緩存比前一級慢但是容量大.

　　緩存在計算機科學的許多領域中起著重要的作用,并不僅僅只是RAM(隨機存取存儲器)的緩存行.只要存在大量的資源可以劃分為小的部分,那么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.此時用緩存可以帶來性能上的提升.一個典型的例子就是操作系統一直在使用緩存,比如,多數操作系統在內存中保存頻繁使用的文件(的一部分),以避免從磁盤中重復地調用這些文件,類似的/root/a/b/c/d/e/f/a.txt的長路徑名轉換成該文件所在的磁盤地址的結果然后放入緩存,可以避免重復尋找地址,還有一個web頁面的url地址轉換為網絡地址(IP)地址后,這個轉換結果也可以緩存起來供將來使用.

　　緩存是一個好方法,在現代cpu中設計了兩個緩存,再看圖3中的兩種cpu設計.第一級緩存稱為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,對那些頻繁使用的數據自,多少芯片還會依照第二L1緩存 ...另外往往設計有二級緩存L2,用來存放近來經常使用的內存字.L1與L2的差別在于對cpu對L1的訪問無時間延遲,而對L2的訪問則有1-2個時鐘周期(即1-2ns)的延遲.

　　內存：
　　再往下一層是主存,此乃存儲器系統的主力,主存通常稱為隨機拜訪存儲RAM,就是我們通常所說的內存,容量一直在不斷攀升,所有不能再高速緩存中找到的,都會到主存中找,主存是易失性存儲,斷電后數據全部消失.
除了主存RAM之外,許多計算機已經在使用少量的非易失性隨機拜訪存儲如ROM(Read Only Memory,ROM),在電源切斷之后,非易失性存儲的內容并不會丟失,ROM只讀存儲器在工廠中就被編程完畢,然后再也不能修改.ROM速度快且便宜,在有些計算機中,用于啟動計算機的引導加載模塊就存放在ROM中,另外一些I/O卡也采用ROM處理底層設備的控制.
　　EEPROM(Electrically Erasable PROM,電可擦除可編程ROM)和閃存(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.在便攜式電子設備中,閃存通常作為存儲媒介.閃存是數碼相機中的膠卷,是便攜式音譯播放器的磁盤,還應用于固態硬盤.閃存在速度上介于RAM和磁盤之間,但與磁盤不同的是,閃存擦除的次數過多,就被磨損了.
　　還有一類存儲器就是CMOS,它是易失性的,許多計算機利用CMOS存儲器來保持當前時間和日期.CMOS存儲器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還可以保存配置的參數,比如,哪一個是啟動磁盤等,之所以采用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,相關的配置和時間等都將丟失.

　　磁盤：

　　磁盤低速的原因是因為它是一種機械裝置,在磁盤中有一個或多個金屬盤片,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,這類似于老式黑膠唱片機上的拾音臂.信息寫在磁盤上的一些列的同心圓上,是一連串的2進制位(稱為bit位),為了統計方便,8個bit稱為一個字節bytes,1024bytes=1k,1024k=1M,1024M=1G,所以我們平時所說的磁盤容量最終指的就是磁盤能寫多少個2進制位.
　　每個磁頭可以讀取一段環形區域,稱為磁道.把一個機械手臂位置上所有的磁道合起來,組成一個柱面.每個磁道劃成若干扇區,扇區典型的值是512字節.
　　數據都存放于一段一段的扇區,即磁道這個圓圈的一小段圓圈,從磁盤讀取一段數據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,找到了磁道就以為著招到了數據所在的那個圈圈,但是還不知道數據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道之后還必須等待旋轉到數據所在的扇區下,這段時間稱為延遲時間.
　　虛擬內存：
　　許多計算機支持虛擬內存機制,該機制使計算機可以運行大于物理內存的程序,辦法是將正在使用的程序放入內存取執行,而暫時不需要執行的程序放到磁盤的某塊地方,這塊地方稱為虛擬內存,在linux中稱為swap.這種機制的核心在于快速地映射內存地址,由cpu中的一個部件負責,稱為存儲器管理單元(Memory Management Unit ,MMU).
PS：從一個程序切換到另外一個程序,稱為上下文切換(context switch),緩存和MMU的出現提升了系統的性能,尤其是上下文切換.

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