【操作系统】硬件结构知识点详解

最新推荐文章于 2025-08-14 11:23:32 发布

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#操作系统 #硬件

一、硬件系统核心组成

CPU（中央处理器）

组成：

由运算器（ALU）、控制器、寄存器组构成。运算器负责算术逻辑运算，控制器协调指令执行，寄存器组用于临时存储数据。

性能指标：

主频、缓存（L1/L2/L3）、核心数。多核架构通过并行处理提升计算能力，如 Intel 的超线程技术可模拟更多逻辑核心。

架构对比：

x86：复杂指令集（CISC），性能强劲，兼容性好，广泛用于桌面和服务器。
ARM：精简指令集（RISC），低功耗，适用于移动设备和嵌入式系统，近年向服务器领域扩展。

关键技术：

流水线技术：将指令执行划分为多阶段，提升吞吐量。
虚拟化技术（如 Intel VT-x）：支持硬件级虚拟化，允许多个操作系统同时运行。

内存（Memory）：

分类：

RAM（随机存取存储器）：易失性存储，用于临时存放运行中的程序和数据，分为 SRAM（高速缓存）和 DRAM（主存）。
ROM（只读存储器）：非易失性，存储 BIOS 等固化程序。

层次结构：

高速缓存（L1/L2/L3）→ 主存 → 磁盘（虚拟内存）。高速缓存通过局部性原理减少主存访问延迟。
内存管理单元（MMU）：
功能：实现虚拟地址到物理地址的转换，支持内存保护和分页机制。
分页原理：虚拟地址划分为页号和页内偏移，通过页表映射到物理页框。MMU 通过 TLB（快表）缓存常用映射，提升转换效率。

存储设备

传统存储：
硬盘（HDD）：基于机械结构，通过磁头读写盘片，顺序访问速度快但随机访问延迟高。
现代存储：
固态硬盘（SSD）：基于闪存芯片，无机械部件，随机访问速度显著提升。NVMe（非易失性内存主机控制器接口规范）协议通过 PCIe 总线进一步提升性能，支持多队列并行操作，延迟降低至微秒级。
NVMe 优势：带宽可达 64GB/s（PCIe 4.0 x32），队列深度支持 65535，适合高性能计算和数据中心。

二、总线与输入输出系统

总线结构

系统总线：连接 CPU、内存和 I/O 设备，分为数据总线（传输数据）、地址总线（传输地址）和控制总线（传输控制信号）。

类型：

单总线结构：所有设备共享同一总线，分时复用，适用于小型系统。
双总线结构：分离存储总线和系统总线，提升吞吐量，如以存储器为中心的架构。
PCIe（Peripheral Component Interconnect Express）：高速串行总线，支持多通道（x1/x4/x8/x16/x32），带宽随版本提升（PCIe 6.0 单通道 8GB/s），广泛用于显卡、SSD 等高速设备。