计算机体系结构介绍

计算机体系结构包括两大部分，分别为硬件部分和软件部分。本文主要介绍了计算机硬件基本原理以及操作系统启动过程。
1.1 计算机主要部件
计算机主要包括五大部件，分别为运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。其中运算器和控制器组成了计算机的核心部件CPU，而CPU和内存组成了计算机主机。由于计算机的主要工作是用来协助人们的学习和工作的，如何没有与人交互的输入输出设备，计算机对于人们来说也将毫无用处，好似计算机是用来加工某种产品的，而输入设备则是用来接收原材料的，输出设备是用来输出加工后的产品的设备。
1.2 cpu的主要功能
cpu可以说是计算机的一个核心部件，它的主要功能是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。cpu主要包括的部件有：运算器、控制器、寄存器以及实现它们之间数据的传送的三类总线（包括：数据总线、控制总线、状态总线）。由于存储器的速度远远低于cpu的运算速度，所以现如今存储的存取速度严重限制了cpu性能的发挥，为了将cpu的性能得到更好的发挥，在cpu内加入了缓存。缓存是容量上小于内存但速度却高于内存的一种静态存储器。这样利用程序局部性原理（程序局部性原理包括时间局部性和空间局部性，程序局部性原理，意思是指程序在执行时，在一段时间内，整个程序的执行仅限于程序中的某一部分。相应地，执行所访问的存储空间也局限于某个内存区域。），cpu的性能可以得到更好的发挥。
1.3 内存的主要功能以及内存与硬盘的关系
内存的主要功能就是与cpu进行数据的交换，计算机的所有程序的运行都是在内存中运行的。它存储的数据主要包括cpu中运行所需要的数据以及与硬盘交换的数据。与Cache（cpu缓存）原理一样，它其实也可以看作是硬盘的一个缓存部件。
1.4 输入输出设备的主要功能
输入输出设备主要的功能就是实现了计算机与机器之间的通信。其中输入设备指的是用户向计算机输入信息所需要使用到的设备，是计算机联系用户或其他设备的桥梁。输出设备是把计算机处理后的结果或中间结果以人能识别的各种形式,如数字、符号、字母等表示出来,因此输入输出设备起了人与机器之间进行联系的作用。
1.5 计算机各部件之间的关系
如果将计算机比喻成一个人的话，那么cpu将是人的大脑，它主要负责处理所有相关事件的判断与实际处理的机制；内存好似人的皮肤、眼睛所收到的信息记录起来的地方，以供cpu参考；硬盘就像人类的记忆一般，记录着各种经验，也是cpu读取/写入；输入输出设备就像人的手、脚一般，操作人体与外界环境的互动；主板就似人的神经一般，将所有元件连接在一起。也就是说，整个人最重要的部位就是大脑，同样，一台主机最重要的部件就是cpu与内存，而cpu的数据统统来自于内存，如果由过去的经验来判断事情时，也要将经验（硬盘）挪到目前的记忆（内存）当中，再交由cpu来判断。
2.1 操作系统启动过程
在介绍操作系统启动过程之前，首先得介绍一下固件，固件就是将程序写入到只读存储器中，这个烧入有程序的只读存储器就被成为固件。而操作系统启动的过程中，就首先由计算机硬件来启动固件，将固件中的程序自动运行，由于固件中的程序有引导程序和基本输入输出程序，引导程序将执行BIOS来完成基本的输入输出活动，BIOS引导程序则将做系统自检工作，这个工作主要是标识和配置所有的即插即用设备，并配置DMA通道；完成加电自检，测试内存，端口，键盘，视频适配器，磁盘驱动器等基本设备，以及CD-ROM驱动器；对引导驱动器可引导分区定位：在CMOS（complementary metal oxide semiconductor，互补金属氧化物半导体）中，可以自行设置引导顺序，一般顺序是软驱，磁盘，光驱；加载主引导记录以及引导驱动器的分区表，执行主引导记录MBR，主引导记录在硬盘上找到可引导分区，将其分区引导记录装入内存，并将控制权交给分区引导记录，由分区引导记录定位根目录，然后装入操作系统。
2.2 操作系统与运用程序的关系
这里我使用一个简单的图来表示计算机硬件、操作系统以及运用程序的关系。

从图中可以看出，操作系统是对计算机硬件的第一次抽象，它主要功能就是封装硬件，用来管理计算机硬件资源。操作系统包括内核和系统调用和库函数，内核是针对硬件编写函数，仅仅有内核运用程序编写依然会非常困难且软件的移植性也不好，所以为了简化运用程序的编写和提高运用程序的可移植性，所以操作系统一般会提供一个统一的系统调用（API）和库函数。普通用户使用计算机一般是通过shll来操作，shell的作用就类似一个翻译官，将用户命令转换成向操作系统发出的一系列命令。shell包括两种：图形界面（GUI），命令行（CLI）。