前言

 

 

前一篇文章介绍了冯诺依曼体系结构的计算机的基本工作原理,其中主要介绍了CPU的结构和工作原理。这一篇主要来介绍存储区,总线,以及IO设备等其他几大组件,来了解整个计算机是如何工作的。 这些东西都是看得见摸得着的硬件,平时我们买电脑时最关注的就是CPU的速度,内存的大小,主板芯片等等的参数。

 

 

 

1. 存储器

 

前面我们以一个简单通用的计算机模型来介绍了CPU的工作方式,CPU执行指令,而存储器为CPU提供指令和数据。 在这个简单的模型中,存储器是一个线性的字节数组。CPU可以在一个常数的时间内访问每个存储器的位置,虽然这个模型是有效的,但是并不能完全反应现代计算机实际的工作方式。

 

 

1.1 存储器系统层次结构

 

在前面介绍中,我们一直把存储器等同于了内存,但是实际上在现代计算机中,存储器系统是一个具有不同容量,不同访问速度的存储设备的层次结构。整个存储器系统中包括了寄存器、Cache、内部存储器、外部存储。下图展示了一个计算机存储系统的层次图。层次越高速度越快,但是价格越高,而层次越低,速度越慢,价格越低。

 

相对于CPU来说,存储器的速度是相对比较慢的。无论CPU如何发展,速度多块,对于计算机来说CPU总是一个稀缺的资源,所以我们应该最大程度的去利用CPU。其面我们提到过CPU周期,一个CPU周期是取1条指令的最短的时间。由此可见,CPU周期在很大程度上决定了计算机的整体性能。你想想如果当CPU去取一条指令需要2s,而执行一个指令只需要2ms,对于计算机来说性能是多么大的损失。所以存储器的速度对于计算机的速度影响是很大的。

 

对于我们来说,总是希望存储器的速度能和CPU一样或尽量的块,这样一个CPU周期需要的时钟周期就越少。但是现实是,这样的计算机可能相当的昂贵。所以在计算机的存储系统中,采用了一种分层的结构。速度越快的存储器容量越小,这样就能做到在性能和价格之间的一个很好的平衡。

 

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前言

 

 

对于我们80后来说,最早接触计算机应该是在95年左右,那个时候最流行的一个词语是多媒体。 依旧记得当时在同学家看同学输入几个DOS命令就成功的打开了一个游戏,当时实在是佩服的五体投地。因为对我来说,屏幕上的东西简直就是天书。有了计算机我们生活发生了巨大的变化,打游戏,上网,聊天,甚至到现在以此为业。有时无不感叹计算机的强大。

人类总是聪明的而又懒惰的。即便是1+1这种简单的计算都不想自己做,1623年Wilhelm Schickard 制作了一个能进行六位以内数加减法,并能通过铃声输出答案的”计算钟”。通过转动齿轮来进行操作。 这已经相当高端了,说起计算器,我们5000年文明古国在东汉末年就有记载了算盘。

计算机的发展也是随着科技的发展经历了机械计算机、电子计算机、晶体管计算机、小规模集成电路和超大规模集成电路计算机。我们无意讨论整个计算机的发展过程,主要还是介绍基于冯诺依曼体系结构的现代计算机。

 

 

1. 计算机的发展

 

 

计算机的发展包括了硬件和软件的发展,硬件的发展为计算机提供了更快的处理速度,而软件的发展为用户提供了更好的体验。两者相辅相成,密不可分。

  • 第一阶段: 60年代中期以前,是计算机系统发展的早期时代。在这个时期通用硬件已经相当普遍,软件却是为每个具体应用而专门编写的,大多数人认为软件开发是无需预先计划的事情。这时的软件实际上就是规模较小的程序,程序的编写者和使用者往往是同一个(或同一组)人;
  • 第二阶段:从60年代中期到70年代中期,是计算机系统发展的第二代。在这10年中计算机技术有了很大进步。多道程序、多用户系统引入了人机交互的新概念,开创了计算机应用的新境界,使硬件和软件的配合上了一个新的层次;
  • 第三阶段:计算机系统发展的第三代从20世纪70年代中期开始,并且跨越了整整10年。在这10年中计算机技术又有了很大进步。分布式系统极大地增加亍计算机系统的复杂性,局域网、广域网、宽带数字通信以及对“即时”数据访问需求的增加,都对软件开发者提出了更高的要求;
  • 第四阶段:在计算机系统发展的第四代已经不再看重单台计算机和程序,人们感受到的是硬件和软件的综合效果。由复杂操作系统控制的强大的桌面机及局域网和广域网,与先进的应用软件相配合,已经成为当前的主流。计算机体系结构已迅速地从集中的主机环境转变成分布的客户机/服务器。

 

 

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序言

 

 

又有两年没有写Blog了, 这2年从做windows phone 到 Android C++, 慢慢的很多观念也有所改变了。以前一心想做C#相关的工作,现在却感觉,什么语言都无所谓了。公司项目挺忙,加班比较多,不忙的时候又想休息休息。 所以blog又荒废了好久。也很少有时间早学习, 加上年纪越来越大,学习动力和热情也越来越小了。最近一个月不是特别忙,抽空看了看《深入理解计算机系统》、《程序员的自我修养》、《现代操作系统》三本书,然后顺带看了看编译,汇编相关的知识, 也在网上查了不少资料。突然发现好多东西其实是大学里都学过,这也算是工作6年对以前知识的一个总体的复习吧。在不同时期看相同的书,总会有不同的收获。

 

对于一个应用层的开发者来说,不了解CPU是如何工作的,内存是如何布局的,多进程是怎么实现的并不会影响他写出好的应用程序。就好像一个武术演员,不懂九阳神功一样可以拍出很好的动作电影。但是看了那么多武侠剧,那些路人甲,宋兵乙为什么总是被大侠们狂虐?原因很简单,他们木有内功。套路只是一方面,拼的还是内功啊。大侠们内功那里来的?不是武二代就是出师名门,说白了还是看背景而不是背影。这种东西不是随便教的,当然也不是谁都能学会的。恩,有点扯远了。对于我们来说,这些知识就是我们要学习的计算机内功的一部分。虽然这些知识并不能交我们怎么写一个Android APP,也不能帮我们学习Web开发,就好像虚竹有了内功不会招式也是没用的,所以要内外兼修。对于我们这些已经掌握了招式的宋兵乙来说,在没有干爹的情况下,就只能靠自己来修炼内功了。不奢求称为大侠,只求3招内不被打倒。

 

对于计算机专业毕业的人来说,后面大部分都是学校都学过,从纯硬件的模拟电路,数字电路,到软硬件相关的计算机组成原理,计算机体系结构,再就是最底层的操作系统,编译原理,汇编,C语言,到上层存软件的开发语言。但是很多人都觉得是枯燥的理论知识,实际这真是挺有用的东西。但是工作后基本不会接触,所以都忘记的差不多了,看下书一段时间又忘记了,所以这次决定写下来,算是学习笔记,也算是为一些朋友提供一个参考。

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