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  • 计算机系统基础

    2015-12-31 11:10:00
    现在我们讨论一下计算机系统的基础,主要分为硬件部分和软件部分,为接下来深入学习做一点知识储备。  一:硬件部分 撇开计算机硬件纷繁复杂各种设备、芯片以及外围接口等,站软件开发者角度看,我...

      计算机是一个非常广泛的概念,大到占用数层楼的用于科学计算的超级计算机,小到手机上的前嵌入式芯片都可以称为计算机。虽然它们在外形、结构以及性能上都有很大的差异,但是它们都有计算的概念。现在我们讨论一下计算机系统的基础,主要分为硬件部分和软件部分,为接下来的深入学习做一点知识储备。

      一:硬件部分

          撇开计算机硬件中纷繁复杂的各种设备、芯片以及外围接口等,站在软件开发者的角度看,我们只需要抓住硬件的几个关键部分:中央处理器CPU、内存和I/O控制芯片以及设备,这三个部分几乎就是计算机的核心了。

      1.内存。内存是一个临时存储设备,在处理器执行程序时,用来存放程序和程序要处理的数据,从物理上来说,内存是由一组动态随机存取存储器(DRAM)芯片组成,从逻辑上来说,存储器是一个线性的字节数组,每个字节都有其唯一的地址,以便查询,这些地址是从零开始的。

       2.中央处理器CPU。简称处理器,是解释存储在内存中的指令的引擎。处理器从程序计数器(PC)指向的存储器处读取指令,执行该指令指示的简单操作,然后更新PC,使其指向下一条指令,而这一条指令并不一定与存储器中刚刚执行的指令相邻。随着制造CPU的工艺到达了物理上的极限,CPU的频率不再快速增长,这样的情况下,为了提高计算机的运行速度,多核计算机应运而生。

       3.I/O设备。输入/输出(I/O)设备是系统与外部世界的联系通道,作为用户输入的键盘和鼠标、作为用户输出的显示器以及用于长期存储数据和程序的磁盘都是I/O设备。每一个I/O设备都通过一个控制器或适配器与I/O总线相连,而控制器和适配器的功能就是在I/O总线和I/O设备之间传递消息,这样CPU便可以通过I/O总线来与I/O设备通信。这里将会涉及到非阻塞型I/O和阻塞性I/O等概念,以后会深入理解。

      二:软件部分

          系统软件这个概念比较模糊,传统意义上一般将拥有管理计算机本身的软件称为系统软件,以区别普通的应用程序。系统软件可以分为两块,一块是平台性的,比如操作系统内核、驱动程序、运行库以及数以千计的系统工具;另一块是用于程序开发的,比如编译器、汇编器、链接器等开发工具和开发库。

           “计算机的任何问题都可以通过增加一个间接的中间层来解决”。这句话几乎概括了计算机系统软件体系的所有设计要点,整个体系都是按照严格的层次结构来设计的。

                                                                            计算机软件体系结构

                                                                                                 图1-1 计算机软件体系结构

      由图1-1 易知每个层次之间都需要相互通信,既然要相互通信就必须有一个通信协议,一般我们称其为接口。接口的上面那一层是接口的使用者,接口的下面那一层是接口的提供者,由它来定义接口。在层次体系中,接口是被精心设计过的,尽量保持稳定不变,那么理论上层次之间只要遵循这个接口,任何一个层都可以被修改和替换。除了硬件和应用程序,其他都是中间层,每个中间层都是对它下面那层的包装与扩展。从整个层次结构上来看,开发工具与应用程序是属于同一个层次的,因为它们都使用同一个接口:操作系统应用程序编程接口。应用程序编程接口的提供者是运行库。什么样的运行库提供什么样的API,例如Linux下的Glibc提供POSIX的API。Windows的运行库提供windows的API。运行库使用操作系统提供的系统调用接口。另外,操作系统内核层对于硬件来说是硬件接口的使用者,而硬件是接口的定义者。硬件的接口定义决定了操作系统内核,具体来说就是驱动程序如何与硬件交互通信。硬件的生产厂商提供硬件规格,操作系统和驱动程序开发者通过阅读硬件规格来编写操作系统和驱动程序。

      

                                                                           

     

    转载于:https://www.cnblogs.com/foolAndhungry/p/5080984.html

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  • 嵌入式系统中经常会应用到很多通讯接口/协议,如:RS232、RS485、轻量级TCP/IP协议、LoRa和Zigbee等多种接口/协议,本篇文章和大家分享一下嵌入式开发中最为常用RS232和RS485区别。RS232和RS485介绍RS232是...

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    在嵌入式系统中经常会应用到很多通讯接口/协议,如:RS232RS485轻量级TCP/IP协议LoRaZigbee等多种接口/协议,本篇文章和大家分享一下嵌入式开发中最为常用的RS232RS485的区别。

    RS232和RS485介绍

    RS232是1970年由美国电子工业协会(EIA)联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。它的全名是“数据终端设备(DTE)和数据通讯设备(DCE)之间串行二进制数据交换接口技术标准”。该标准规定对连接器的每个引脚的信号内容加以规定,还对各种信号的电平加以规定。RS232是一种异步传输标准接口,通常 RS-232 接口以9个引脚 (DB-9) 或是25个引脚 (DB-25) 的型态出现 。RS485是一个定义平衡数字多点系统中的驱动器和接收器的电气特性的标准,该标准由电信行业协会和电子工业联盟定义。使用该标准的数字通信网络能在远距离条件下以及电子噪声大的环境下有效传输信号。RS-485使得廉价本地网络以及多支路通信链路的配置成为可能。RS485有两线制和四线制两种接线,四线制只能实现点对点的通信方式,现很少采用,现在多采用的是两线制接线方式,这种接线方式为总线式拓扑结构,在同一总线上最多可以挂接32个节点。

    RS232和RS485区别,主要体现在五点上

    • 连接方式
    • 电平信号
    • 传输距离
    • 传输数据的最大波特率
    • 组网(多机通信)
    具体内容如下:连接方式:RS232最常用的连接方式是三根线:一条发送线、一条接收线及一条地线;RS485一般采用两线制传输:A、B两条传输线。电平信号:RS232 逻辑1为-3V~-15V,逻辑0为+3~+15V;RS485 -2V~-6V表示逻辑0,+2V~+6V表示逻辑1,电压为A-B的电压。传输距离:RS232传输距离有限,理论传输距离标准值为15米,实际工程中最大传输距离也不超过30米;RS485传输距离较RS232传输距离远,理论传输距离标准值为1200米,实际工程中可达到2500米。传输数据的最大波特率:RS232 传输速率较低,最高波特率为19200bps;虽然传输速度较慢,但在工程中很多场合还是比较实用;RS485 传输速率比较高,可达10Mbps;传输速度也快了很多,多被运用到工程的控制信号传输 。组网(多机通信):RS232不能实现多机通信,原因是RS232为全双工的通信方式,一般的连接方式都为TTL电平,线路空闲时发送和接收的TTL电平都是高电平,电平转换芯片之后得到的RS232电平总是低。现在假设A为主机,B和C为从机,那么A想给B发送信号的时候没有问题,因为A的TXD线连接在B和C的RXD线上面,此时B和C的RXD线都是正常的处于等待接收(空闲)的状态,但是如果B如果收到信号想给A回复的时候,B的TXD与C的TXD线都同A的RXD线连接在一起的,B此时处于发送数据的状态(B即想控制自己的TXD线高低电平之间变化),然而C此时处于空闲状态(C想保证自己的TXD线为低电平不变),这个时候B和C的TXD线之间就出现了通信冲突。所以RS232可以实现点对点的通信方式,但这种方式不能实现组网的功能;RS485可以实现多机通信,原因是RS485为半双工通信方式,即分时实现收和发。总线空闲的状态下需要保证状态为逻辑1,也就是A-B的电压符合逻辑1的电平值。假设此时1为主机,2和3为从机,数据线的连接方式为1,2,3的A连接在一起,1,2,3的B也连接在一起,不存在RS232连接方式的问题。55cb86225eaa01add7fc14c650b6be4a.png

    【1】什么是LIN总线?高速CAN、容错CAN、LIN总线有什么区别?

    【2】RS485的上下拉电阻如何选择?

    【3】RS485方向切换如何设计电路?介绍5种方案及优劣势分析

    【4】RS485是硬件接口,那么他是怎么实现数据通讯的呢?Modbus-RTU协议解析

    【5】CAN总线是如何通讯的?

    【6】CAN接口典型电路分析及应用

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  • 计算机操作系统

    2020-11-05 15:02:23
    计算机系统由一个或者多个处理器、主存、打印机、键盘、鼠标、显示器、网络接口以及各种输入输出设备构成。 硬件基础上给计算机安装一些软件,这层软件能够通过响应用户输入指令达到控制硬件效果,从而满足...

    计算机操作系统

    计算机系统由一个或者多个处理器、主存、打印机、键盘、鼠标、显示器、网络接口以及各种输入输出设备构成。
    在硬件的基础上给计算机安装一些软件,这层软件能够通过响应用户输入的指令达到控制硬件的效果,从而满足用户的需求,这种软件称之为操作系统。常见的操作系统由Windows、Linux、FreeBSD或OS X ,带有图形界面的操作被称为图形用户界面,而基于文本,命令行的通常称为 Shell。
    

    计算机硬件

    CPU:cpu是计算机的大脑,他主要和内存进行交互,从内存中提取命令并执行它。一个cpu的执行周期是从内存中提取到第一条指令、解码并决定它的类型和操作数,执行然后再提取、解码执行后续的指令。重复该循环直到程序运行完毕。
    内存:理想情况下,内存应该非常快速(比执行一条指令要快,从而不会拖慢cpu执行效率),而且足够大且便宜,但是目前的技术手段无法满足三者的需求。于是采用了不同的处理方式,存储系统采用一种分层次的结构。顶层的存储器速度最高,但是容量小,成本非常高,层级结构越向下,其访问效率越慢,容量越大,但是造价也就越便宜。
    

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    ​ 存储层次结构

    寄存器:寄存器的顶层是cpu中的寄存器,他们用和cpu一样快。程序必须在软件中自行管理这些寄存器(即决定如何使用它们)
    高速缓存:位于寄存器下面的是高速缓存,他多数有硬件控制。主存被分割成高速缓存行为64字节,内存地址的0-63对应高速缓存行0,地址64-127对应高速缓存行的1等等。
    主存:在上面的层次结构中再下一层是主存,这是内存系统的主力军,主存通常叫做RAM,由于1950年代和1960年代的计算机使用微小的可磁化铁氧体磁芯作为主存储器,因此旧时将其称为核心存储器。所有不能再高速缓存中得到满足的内存访问请求都会转往主存中。ROM中的内容一旦存储后就不会在不修改。它非常快且便宜。EEPROM和闪存也是非易失性的,但是与ROM相反,他们可以擦除和重写。
    I/O设备:CPU和存储器不是操作系统管理的全部,I/O设备也与操作系统关系密切。I/O设备一般包括两个部分:设备控制器和设备本身。控制器本身是一块芯片或者一组芯片,它能够控制物理设备。能够接受操作系统的指令。控制器的作用就是为操作系统提供一个更简单(但仍然非常复杂)的接口。也就是屏蔽物理细节。任何复杂的东西都可以加一层代理来解决,这是计算机或者人类社会很普遍的一个解决方案。
    

    操作系统的概念

    进程:操作系统一个很关键的概念就是进程。进程的本质就是操作系统执行的一个程序,与每个进程相关的是地址空间,这是从某个最小值的存储位置(通常是零)到某个最大值的存储位置的的列表。在这个地址空间中国,进程可以进行读写操作。地址空间中存放可执行程序。你可以把进程看作是容纳运行程序所有信息的一个容器。
    

    以把进程看作是容纳运行程序所有信息的一个容器。

    
    
    
    
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    处理器管理:当多个程序同时运行时,解决处理器(CPU)时间的分配问题。

    作业管理:完成某个独立任务的程序及其所需的数据组成一个作业。作业管理的任务主要是为用户提供一个使用计算机的界面使其方便地运行自己的作业,并对所有进入系统的作业进行调度和控制,尽可能高效地利用整个系统的资源。

    存储器管理:为各个程序及其使用的数据分配存储空间,并保证它们互不干扰。

    设备管理:根据用户提出使用设备的请求进行设备分配,同时还能随时接收设备的请求(称为中断),如要求输入信息。

    文件管理:主要负责文件的存储、检索、共享和保护,为用户提供文件操作的方便。

    操作系统的种类繁多,依其功能和特性分为分批处理操作系统、分时操作系统和实时操作系统等;依同时管理用户数的多少分为单用户操作系统和多用户操作系统;适合管理计算机网络环境的网络操作系统。

    微机操作系统随着微机硬件技术的发展而发展,从简单到复杂。Microsoft公司开发的DOS是一单用户单任务系统,而Windows操作系统则是一多户多任务系统,经过十几年的发展,已从Windows 3.1发展到目前的Windows NT、Windows 2000、Windows XP、Windows vista、Windows 7、Windows 8、Windows 8.1和Windows 10等等。它是当前微机中广泛使用的操作系统之一。Linux是一个原码公开的操作系统,目前已被越来越多的用户所采用,是Windows操作系统强有力的竞争对手。

    语言处理系统

    人和计算机交流信息使用的语言称为计算机语言或称程序设计语言。计算机语言通常分为机器语言、汇编语言和高级语言三类。如果要在计算机上运行高级语言程序就必须配备程序语言翻译程序(下简称翻译程序)。翻译程序本身是一组程序,不同的高级语言都有相应的翻译程序。翻译的方法有两种:

    一种称为“解释”。早期的BASIC源程序的执行都采用这种方式。它调用机器配备的BASIC“解释程序”,在运行BASIC源程序时,逐条把BASIC的源程序语句进行解释和执行,它不保留目标程序代码,即不产生可执行文件。这种方式速度较慢,每次运行都要经过“解释”,边解释边执行。

    另一种称为“编译”,它调用相应语言的编译程序,把源程序变成目标程序(以.OBJ为扩展名),然后再用连接程序,把目标程序与库文件相连接形成可执行文件。尽管编译的过程复杂一些,但它形成的可执行文件(以.exe为扩展名)可以反复执行,速度较快。运行程序时只要键入可执行程序的文件名,再按Enter键即可。

    对源程序进行解释和编译任务的程序,分别叫做编译程序和解释程序。如FORTRAN、COBOL、PASCAL和C等高级语言,使用时需有相应的编译程序;BASIC、LISP等高级语言,使用时需用相应的解释程序。

    服务程序

    服务程序能够提供一些常用的服务性功能,它们为用户开发程序和使用计算机提供了方便,像微机上经常使用的诊断程序、调试程序、编辑程序均属此类。

    数据库管理系统

    数据库是指按照一定联系存储的数据集合,可为多种应用共享。数据库管理系统(Data Base Management System,DBMS)则是能够对数据库进行加工、管理的系统软件。其主要功能是建立、消除、维护数据库及对库中数据进行各种操作。数据库系统主要由数据库(DB)、数据库管理系统(DBMS)以及相应的应用程序组成。数据库系统不但能够存放大量的数据,更重要的是能迅速、自动地对数据进行检索、修改、统计、排序、合并等操作,以得到所需的信息。这一点是传统的文件柜无法做到的。

    数据库技术是计算机技术中发展最快、应用最广的一个分支。可以说,在今后的计算机应用开发中大都离不开数据库。因此,了解数据库技术尤其是微机环境下的数据库应用是非常必要的。

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在计算机系统中的接口主要有