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计算机底层操作系统核心知识总结

计算机底层&操作系统核心知识总结

总结的知识是适合开发者必备的一些基础知识。(更新中… …)

计算机组成原理

一、早期的计算机

1.1 第一代计算机

最早的计算机可以追溯到图灵的计算机理论上去,也就是说图灵的计算机理论是早起计算机的奠基石。

冯诺依曼提出了早起的计算机结构。
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总结一句话就是:图灵描绘了计算机的灵魂,冯诺依曼框定了计算机的骨架,后人所做的只不过是不断丰富计算机的血肉罢了。

1.2 第二代计算机

随着晶体管技术的成熟,出现第二代晶体管计算机。

1.3 第三代计算机

集成电路的发展,拉开了集成电路计算机的序幕。

1.4 第四代计算机(至今)

大规模集成电路计算机

二、计算机的基本硬件组成

总的概括:CPU相当于人的大脑,内存、硬盘相当于大脑中的记忆板块,主板相当于人的神经系统,显卡相当于眼睛,电源则是心脏。

CPU: 全称Central Processing Unit,是计算机最硬核的组件,相当于人的大脑。CPU的核心是从程序或应用程序获取指令并执行计算,此过程分为三个关键阶段:提取、解码、执行,CPU从系统的主存中提取指令,然后解码该指令的实际内容,然后再抽取CPU的相关部分执行该指令。

内存: 内存是计算机中最重要的部件之一,它是程序与CPU进行沟通的桥梁。计算机中所有程序的运行都是在计算机中进行的,因此内存对计算机的影响非常大,内存又称为主存,其作用是存放CPU的运算数据,以及与硬盘等外部存储设备交换的数据。只要计算机在运行中,CPU就会把需要运算的数据调到主存中进行运算,当运算完成后CPU再将结果传送出来,主存的运行也决定了计算机的稳定运行。
**主板:**主板上集成了各种电子元件、插槽和接口等,为CPU、内存个各种功能卡,如声卡、网卡等提供了安装插槽,为各种多媒体和通信设备提供了接口。
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两个重要的芯片:北桥芯片、南桥芯片。

  • 北桥芯片:电脑中的CPU、内存和显卡都是有北桥芯片控制的,因此北桥芯片的优劣在一定程度上决定了主板的性能。由于北桥芯片处理的数据较多,为降低其工作中散发的热量,一般情况下还会在其上方安装散热片。
  • 南桥芯片:控制了输入\输出设备和外部设备,如USB设备、IDE设备、SATA设备、音频控制器、键盘控制器、实时时钟控制器和高级电源管理等设备。

主板的芯片组总线解决了CPU和内存之间如何通信的问题,芯片组控制了数据的传输流转,也就是数据从哪里到哪里的问题。总线则是实际的数据传输的高速公路。因此总线速度决定了数据传输得多快。

系统总线和IO总线: 一般北桥的系统总线称为系统总线,因为是CPU、内存、显卡传输的主要通道。所以速度较快,南桥就是所谓的输入\输入(IO)总线,主要联系硬盘、USB、网络卡等周边设备,最常见的就是PCI总线之间用桥接的芯片或者说电路连接起来。
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2.1 CPU总线的功能

CPU总线,又称FSB(前端总线),是PC系统中最快的总线,也是芯片组与主板的核心。

通常总线分为三类:数据总线、地址总线、控制总线。在微型机中,CPU作为总线主控,通过控制总线,向各个部件发送控制信号,通过地址总线同地址信号指定需要访问的部件,如存储器。数据总线上传输数据信息,是双向的。CPU总线处于芯片组和CPU之间,负责CPU与外界所有部件的通信,因此CPU是通过芯片组联系各个部件的。
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2.2 I/O设备

比如显示器就是我们的输出设备,鼠标和键盘就是我们的输入设备。

2.3 显卡

现在使用图形界面操作系统的计算机,无论是Windows,还是Liunx,显卡都是必不可少的。显卡之所以特殊,是因为显卡里有除了CPU之外的另一个“处理器”,也就是GPU(图形处理器)。

三、冯诺依曼和哈弗

3.1 冯诺依曼计算机体系结构

计算机的5个组成部分(运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备)
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冯诺依曼体系结构的特点:

(1)计算机处理的数据和指令一律使用二进制表示。

(2)指令和数据不加区别混合存储在同一个存储器中(硬盘)

(3)顺序执行程序的每一个指令(重点是顺序

冯诺依曼体系结构的计算机必须具备的功能:

(1)把需要的程序和数据送至计算机中(复制)

(2)必须具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算的能力(硬盘)

(3)能够完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力(ALU)

(4)能够根据需要控制程序的走向,并能根据指令控制机器的各部件协调操作。

(5)能够按照需求将处理的结构输出给用户。

3.2 冯诺依曼体系工作原理(CPU工作原理)

程序的执行过程实际上是不断取出指令、分析指令、执行指令的过程。
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3.3 哈佛结构

哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构,它的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中,即程序存储器和数据存储器是两个独立的存储器,每个存储器独立编址、独立访问。
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3.4 冯诺依曼和哈佛的区别

哈佛结构和冯诺依曼结构主要区别在是否区分指令与数据。实际上在内存里,指令和数据是在一起的,而CPU内的缓存中,还是会区分指令缓存和数据缓存,最终执行的时候,指令和数据是从两个不同的地方出来的。在CPU外部,采用的是冯诺依曼模型,而在CPU内部采用的是哈佛结构。大部分的DSP都没有缓存,因而直接就是哈佛结构。哈佛结构设计复杂,但效率高。冯诺依曼结构则比价简单,但也比较慢。CPU厂商为了提高处理速度,在CPU内增加了高速缓存,也基于同样的目的,区分了指令缓存和数据缓存。


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