最近有学习risc-V的需求，借这个机会学习一下，这个专栏的内容主要是做一个记录，也给自己之后复习提供材料。
本专栏的内容多学习于
汪辰老师的课程：[完结] 循序渐进，学习开发一个RISC-V上的操作系统 - 汪辰 - 2021春
以及tinyriscv项目：tinyriscv
文章目录
- 计算机硬件组成
- 总线
- 存储器
- 运算器
- 控制器
- 计算机的执行过程
- 计算机的性能指标
- 两种计算机架构的区别
- 程序的存储与执行
- 程序语言的设计和进化
- 实现加法器的步骤
- 机器语言与汇编语言
- 高级语言
- 现代语言特性
- 存储设备的层次结构
- 存储系统通过分层设计平衡速度、容量与成本：
- 优化策略：
- 操作系统
- 进程管理
- 内存管理
- 文件系统
- 设备驱动
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- 下期见咯~
计算机硬件组成
总线
总线是连接计算机各部件的公共通信通道，分为：
数据总线：双向传输数据（64位宽度常见）；
地址总线：单向传递内存地址（32位/64位）；
控制总线：传输时序信号（如读/写、中断请求）。
存储器
分为主存（RAM/ROM）和辅存（硬盘/SSD），主存直接与CPU交互，具有高速存取特性。
运算器
执行算术运算（加减乘除）与逻辑运算（与/或/非），核心部件是算术逻辑单元（ALU）。
控制器
通过**指令寄存器（IR）和程序计数器（PC）**协调各部件，实现指令的取指、解码与执行。
计算机的执行过程
程序执行遵循**“取指-解码-执行”循环**：
从内存读取指令至IR；
控制器解码指令；
运算器执行操作，结果写回寄存器或内存。
计算机的性能指标
时钟频率：GHz级别，决定每秒运算周期数；
CPI（每条指令周期数）：优化指令集可降低CPI；
MIPS（每秒百万指令数）：综合衡量计算能力；
存储带宽：内存与CPU间的数据传输速率。
两种计算机架构的区别
冯.诺依曼架构(Von Neumann architecture):又称普林斯顿架构特点是指令和数据不加区别地存储在存储器(Princetion architecture)中，经由同一个总线传输。优点是总线开销小，控制逻辑实现更简单;缺点是执行效率较低。
哈佛架构(Harvard architecture):特点是将程序指令和数据分开存储优点是执行效率较高，缺点是总线开销更大，控制逻辑实现更复杂。
程序的存储与执行
一个C文件通过编译和链接生成一个a.out，存储在硬盘上，然后加载到内存上，这时候是一个二进制指令，通过CU进行解析， 取指 译码 执行 ，然后存储到寄存器。
程序语言的设计和进化
实现加法器的步骤
加载一个数据，存储到一个寄存器上；
再加载一个数据，存储到另一个寄存器上；
将两个数进行位运算，也就是实现加法；
将结果存储到对应地址上。
这里是一个8位处理器，最后两位表示方法，前面四位表示获得数据的地址，后面两位表示存储数据的地址。
机器语言与汇编语言
第一代语言：二进制指令（如10110000 01100001），直接由CPU执行。
第二代语言：汇编语言（如MOV AX, 5），通过汇编器转换为机器码。
高级语言
第三代语言（3GL）：C、Java、Python，支持结构化编程和面向对象。
第四代语言（4GL）：SQL、MATLAB，专注于特定领域（如数据库查询）。
现代语言特性
跨平台运行：Java的JVM、Python解释器；
并发支持：Go语言的Goroutine、Rust的内存安全模型；
函数式编程：Haskell、Scala的不可变数据与高阶函数。
存储设备的层次结构
存储系统通过分层设计平衡速度、容量与成本：
寄存器（CPU内部）：速度最快（<1ns），容量最小（KB级），直接参与运算。
高速缓存（Cache）：L1/L2/L3三级缓存，速度1~10ns，利用局部性原理减少CPU等待。
主存（RAM）：速度10~100ns，容量GB级，存放当前运行的程序与数据。
辅存（硬盘/SSD）：速度毫秒级，容量TB级，长期存储文件与系统镜像。
优化策略：
缓存命中率：通过预取算法（如LRU）提升数据复用率；
虚拟内存：操作系统将硬盘空间模拟为内存，缓解物理内存不足。
操作系统
操作系统（OS）是资源管理的核心。
保护硬件被失控的软件应用程序滥用
向应用
进程管理
进程调度：采用算法（如时间片轮转、优先级调度）分配CPU时间；
进程同步：通过信号量、互斥锁解决资源竞争问题。
内存管理
虚拟内存：将逻辑地址映射到物理地址，支持分页（4KB页常见）与分段；
内存保护：隔离进程内存空间，防止越界访问。
文件系统
结构设计：树状目录（如Linux的ext4、Windows的NTFS）；
存储管理：分配磁盘块（如FAT32的簇链）、日志记录（防止数据损坏）。
设备驱动
为硬件（如显卡、打印机）提供统一接口，屏蔽底层差异。
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下期见咯~
