[嵌入式]程序员的自我修养——学习笔记1

计算机硬件

计算机硬件核心三部分：中央处理器CPU、内存、I/O控制芯片
CPU频率：大体上理解是，CPU操作的最小时间单位叫时钟周期，它的倒数叫频率。意思就是一秒钟CPU能执行多少条指令。频率越高，单位时间内能执行的命令越多，也就越快。时钟参考资料、频率参考资料

早期计算机

1. CPU的频率和内存的频率一致，直接连接到同一个总线Bus
2. 为了协调I/O和总线的速度，每个I/O设备都有一个I/O控制器

发展

1. CPU频率高于内存频率。采用 总线频率和内存频率一致，CPU倍频与总线通信的 方式
2. I/O速度无法满足图形化芯片的需求，设计北桥芯片进行通信
3. 为了减轻北桥芯片既要处理高速设备、又要处理低速设备的压力，设计南桥芯片。南桥主要处理低俗设备，汇总后连接到北桥

SMP和多核

1. 频率越高，机器相应的性能会好，但是CPU的制造工艺限制，频率卡在了4GHz
2. 提高CPU速度的另外的方式：增加CPU数量
3. SMP对称多处理器，每个CPU完整，有cache等。
4. 多核：共享昂贵的缓存设备，保留多个核心。
5. 核的数量和速度提升不是线性正比，因为计算任务并不是完全相互独立。就和一个妈妈十个月才能生一个孩子，但是不能十个妈妈一个月生一个孩子。

计算机软件

1. 管理计算机本身的软件称为系统软件。平台型软件：操作系统内核、驱动程序、运行库、系统工具；软件开发型：编译器、汇编器、链接器、开发库。
   

2. 计算机软件有着严格的层次结构，各层之间通过接口进行通信。接口实际上就是一个通信协议，由下层定义实现，由上层调用。

3. 层次结构的好处是，中间层都是对于下一层的封装和扩展，可以通过新加层提供其它功能。

4. 应用程序使用运行库提供的应用程序接口API，比如Windows的运行库提供Windows API。运行库使用操作系统提供的系统调用接口，往往以软件中断的方式提供，比如Linux使用0x80号终端作为系统调用接口。操作系统和驱动程序使用硬件提供的硬件规格。

操作系统和设备驱动的作用

1. 操作系统的功能：提供抽象的接口+管理硬件资源。操作系统不能让硬件资源闲置，要尽可能地挖掘其工作潜能。
2. 多道程序：一个监控程序，当前程序没有使用CPU时，将另外等待CPU资源的程序启动。缺点：太粗糙，没有轻重缓急，交互性不行
3. 分时系统：每个程序运行一段时间后主动让出CPU。缺点：程序主动让出CPU时间，如果一个程序写了个死循环，整个系统就像死机了一样。
4. 多任务系统：操作系统接管所有硬件资源，并且运行在一个受硬件保护的级别。每个进程运行在比操作系统低权限地级别，有着自己独立的地址空间，有着自己的优先级。操作系统分配时间给进程，一段时间后剥夺CPU给另外地进程使用。即抢占式。
5. 设备驱动屏蔽了底层硬件实现和调用的细节问题，给上层运行库和应用程序一个调用接口。比如输出到屏幕，程序设计者不用考虑到底硬件怎么输出的，比如在哪个位置呈现一个像素点。这些都交给了设备驱动程序来完成。

文件系统

1. 文件系统管理着磁盘中文件的存储方式。比如一个长8000字节的文件，文件系统将前4096字节存储在磁盘的1000-1007山区，每个扇区512字节；4097-8000字节存储在磁盘的2000-2007扇区。
2. 硬盘结构：一个磁盘有两个盘面，每个盘面按同心圆划分成多个磁道。每个磁道划分成若干个扇区，每个扇区大约512字节。由于靠近圆心的磁道长度小于外层的磁道，如果每个磁道划分成相同的扇区，那么外层磁道的密度肯定比内层小。所以我们采用逻辑扇区号，逻辑扇区号然后转换成盘片、盘面、磁道、扇区。
3. 比如某个程序需要读取文件的前4096个字节，通过系统调用发送信息给设备驱动程序，设备驱动程序发送硬件命令给硬盘。

存储设备

线程进程

1. CPU频率现在无法提升，我们采取多核措施。软件并发执行的一个方法就是多线程。
2. 线程，轻量级进程，程序执行流的最小单元。

3. 多线程的优点：某个线程得不到数据就进入等待状态，另外的线程继续执行，从而有效利用了等待的时间，比如网页访问，比如交互与计算线程；相比多进程，多线程共享数据效率更高。
4. 并发和并行：并发是某一时刻同时运行，并行是某一时间段同时运行。对于多核，可以实现真正的并发，对于单核，一般是模拟并发，也就是并行。
5. 线程的三种状态：就绪、运行、等待
6. 线程调度方案：
7. 抢占和不可抢占线程：
8. Linux多线程：
9. 线程安全

参考资料

1. 俞甲子. 程序员的自我修养 : 链接、装载与库[M]. 北京 : 电子工业出版社, 2009

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