初识计算机组成

Table of Contents

1. 计算机的组成
   1. 冯诺依曼体系
   2. 规模划分
2. 现代计算机硬件
   1. CPU
   2. 主板
   3. 内存
   4. 外存
   5. 网卡
   6. 电源
3. 操作系统内核
   1. 隔离软件与硬件
   2. 以接口方式建立用户与硬件的沟通
   3. 以接口方式简化软件对硬件的调用
   4. 用户态与内核态
   5. 两态切换
4. 参考文献:

计算机的组成

冯诺依曼体系

结构如图:

这个体系以存储器为中心.数据或程序通过输入设备读入存储器,而后运算器对存储器中的数据
进行操作,最后结果传入输出设备进行输出.
整个过程中控制器调整程序的执行步调.

规模划分

从大到小依次为:

• 超级计算机:功能最强,通常应用在国家级项目上
• 大型计算机:用于大型的企业机构
• 迷你计算机:通常用于科研,工程分析,工厂管理
• 工作站:针对特殊用途设计的电脑.性价比最高
• 微机:个人电脑,体积最小,价格最低.

现代计算机硬件

CPU

基本参数:

• 主频:CPU内部工作时的频率,用于内部执行指令
• 外频:CPU外部的频率,用于与其它部件同步工作
• 倍频:外频*倍频=主频
• cache:由于CPU与DRAM的速度差略大,使用SRAM来缓存数据.
• 内存总线速度:等于cpu外频
• 地址总线宽度:即同一时间能够传输的比特数,决定可访问的物理地址空间大小.
• 架构:
  • x86(intel)
  • x64(amd)
  • ARM(Acorn RISC Machine)
  • m68000,m68k(moto)
  • Power(IBM)
  • Powerpc(apple,IBM,moto)
  • Ultrasparc(Sun)
  • Alpha(HP)
  • 安腾(compaq)

主板

用于连接计算机的各个部件.

内存

内存使用DRAM存储数据,用于存放程序指令,数据,中间结果的场所.
速度较外存快,但断电后数据会丢失.

• 容量:现多以GB为单位;
• 带宽=内存总线频率*数据总线位数/8;

外存

pc上常见的有硬盘和U盘.特点是可以断电保存数据.
基本参数:

• 容量:现多以TB为单位;
• 转数:单位rpm,每分钟转动的圈数;
• 传输速率:以MB/s为单位
• 绶存:为解决系统前后级读写速度差
• 接口:IDE,SCSI,SATA,SAS

网卡

现服务器上集成了网卡,传输速率为1Gbps.也有用特殊网卡如万光网卡.

电源

服务器的电源较家用PC电源更长,特性:

• 支持电力负载
• 支持冗余

操作系统内核

隔离软件与硬件

通过隔离软件与硬件,实现计算机资源的管理.
分为:硬件驱动,进程管理,内存管理,网络管理,安全管理,文件管理.

以接口方式建立用户与硬件的沟通

通常用两种接口:

• CLI:命令行.
• GUI:窗口.

以接口方式简化软件对硬件的调用

• ABI:定义了应用与OS的接口.
• API:相对ABI更高级的接口,现成的功能更多.

用户态与内核态

• 内核态(User Mode):高权限,可执行任何操作.
• 用户态(Kernel Mode):低权限,只能访问应用已分配的内存,不能访问外设,不能理改CPU资源占用.

两态切换

• 系统调用:如IO操作.
• 异常事件:如缺页异常.
• 设备中断:如收到用户的输入.

参考文献: