计算机硬件概要
几十年来，计算机的基本结构没有改变，改变的是各个部分的规模，工艺改进。所以学习计算机的基本架构是很有必要的。
冯诺依曼结构
- 存储型计算机，即通用计算机(专用计算机还是有实际用途的，比如军事。延伸到设计层面，应该如何选择。追求专用性还是通用性)
- 缺点：数据传输效率远低于 CPU 运算效率
- 改进：增加 CPU 缓存
总线结构(bus)
- CPU 以总线连接外部设备。
- 总线是组件之间规范化的数据交换方式。不仅仅是电路线，还规定了数据传输的方法。包括地址、数据、控制总线等。
- 北桥为高速芯片，连接内存、显卡等。
- 南桥连接硬盘、网卡等低速设备。
- 高低速分离会使得计算机效率更高
- 现在流行方式是将南北桥整合到 CPU 内。
中央处理器
- 任务：解释指令，处理数据。
- 冯·诺伊曼 CPU 运作原理可分为四个阶段：提取、解码、执行和写回
- 主频：运算、处理速度。即中央处理器内部的工作速度
- 外频：主板速度，超频。即与其他设备共同工作的速度
- 编程实质上是对 CPU 而言的
- 分复杂指令集 CISC 和精简指令集 RISC
- CISC：x86，指令字长不等，按顺序串行执行。指令丰富，利用率不高，执行速度慢。Intel/AMD等
- RISC：指令和寻址方式少，格式统一，并行速度快，主要用于大型机和中高档服务器。PowerPC/Alpha等
- 指令集 ISA：包含基本数据类型，指令，寄存器，寻址模式，存储体系，中断和异常处理等。
- 小端模式 ：强制转换数据不需要调整字节内容，1、2、4字节的存储方式一样。
- 大端模式 ：符号位的判定固定为第一个字节，容易判断正负。
CPU存储等级
寄存器
- CPU 中暂存指令、地址、数据，速度最快的存储单元。
- 寄存器分通用、指令、标志、段等。
- 快：距离近；硬件设计；工作方式简单。
缓存
- 缓存的主要目的：速度越来越快的 CPU 被多年没长进的内存拖累。容量虽小，但速度接近 CPU 处理频率。
- 总是先检查缓存。如果没有命中，则先缓存，然后再返回给处理器。
- 基于时间和空间局部性，有较高的命中率。
- 一级缓存分指令和数据两部分。
- 缓存由多个块（cache line）构成。每个块存储连续地址的数据单元。
- 通过标志可检查缓存是否更新，以决定是否需要置换回内存。缓存减少更新次数。
- 多级缓存：追求速度必然要减少容积，反之就要牺牲访问速度。L1 靠近 CPU，L2 靠近内存。每级缓存数据都是下一级的一部分。
- 技术和成本考虑。缓存使用 SRAM 存储器，不用像主存 DRAM 那样频繁刷新电路。
- 时间局部性：正在被访问的数据可能近期被再次访
- 空间局部性：临近地址数据可能即将被访问；顺序局部性：大部分指令是顺序执行。
- 为了避免缓存失效，可采取行填充的技术
- 之前在另一篇博客也讨论过缓存相关
多核
- 概念：在一个处理器内集成多个独立实体物理内核。
- 解决问题：主频提升的麻烦，散热等等问题。
- 优点
- 多核更好支持并行任务。
- 可通过共享 cache 进行通信。
两种模式
- SMP：对称多处理。
每个处理器地位平等，对资源使用权相同。连接到共享的主存，由软硬件锁机制解决资源竞争问题。随处理器数量增加，导致访问冲突增加。核的数量为2到4的时候效率比较高，这也是为什么PC一般核的数量都是2到4.
- NUMA：非统一内存访问。
将内存分散给多个处理器，避免存储器对处理器访问的限制（多任务资源分片）。处理器可以访问全部内存，但访问本地内存更快。扩展性更好，适用于服务器。
超线程
- 通过增加保存状态的寄存器的数量，在单个物理核内虚拟多个逻辑处理器。
- 将指令等待时间做别的任务，充分利用相关资源，减少闲置时间。除自有状态外，共享其他单元。
- 和软线程类似，多数时候可提升执行效率。
- 但如果资源冲突，依然需要等待，类似同步锁。
- 某些时候可能导致性能下降。
- 单位时间内，只有一个线程能运行。
内存
内存是与CPU沟通的桥梁。
主要功能包括：可直接寻址的存储空间，暂存数据。
- DRAM：主存，动态随机访问。结构简单，空间小，需要刷新。
- SRAM：缓存，静态随机存储。结构复杂，成本高，速度快。
硬盘
硬盘是计算机的主要持久化存储媒介。
两种工作方式：
- PIO：通过 CPU 执行 IO 指令读写数据。早期模式，速率低下，CPU 占用率高。
- DMA：直接内存访问。CPU只需开始和结束时参与，其他由DMA控制器完成，让外部设备和内存之间直接读写数据。
- DMA 通过中断通知 CPU 传输结束。
IO（外设访问）
- PMIO：独立地址空间，以专用指令读写。
- MMIO：和物理内存共享地址空间，相同常规读写指令。需要为设备保留地址范围。
- 如果外部设备比较慢，PMIO 不会拖累地址总线，影响内存访问。但是 MMIO 让 CPU 逻辑更少，且读写更方便。
- 可以通过 DMA 将数据传送到 I/O 设备。
操作系统
- 管理计算机硬件和软件资源，是内核和基石。
- 分配内存，调度进程，控制输入输出设备，操作文件和网络系统等等。
- 微内核仅提供核心功能，将服务和基本操作区分开来，模块化设计。Linux用单内核，因多数服务都在内核态运行，效率较好。