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目前除了官方系统和其他基于Linux的系统外，树莓派还可以使用Windows IoT系统，当然也有然把Windows10 ARM移植到了树莓派上。不过Windows IoT是官方系统。 微软目前有一整套物联网相关的解决方案，主要包括Azure IoT 和 Windows10 IoT，应该分别对应的了云端和设备端。 对于云端来说可以利用微软的Azure云平台，提供大数据存储和处理，人工智能，机器学习等功能，然后和安装了Windows10 IoT的设备进行联通控制。 有兴趣的话可以看一下微软的网站：https://www.microsoft.com/zh-cn/internet-of-things/products

 

Windows10 IoT

 

Windows 10 IoT powers the intelligent edge

Simplify the Internet of Things with a rich device platform, world class developer tools, enterprise grade support and a global partner ecosystem. Do more at the edge with machine learning capabilities and scale with the power of Azure IoT.

通过利用 Windows 10 IoT 将你的资产转变为智能设备，以实现边缘和云智能的出色平衡，从而拓展深度学习，完成更多事项。

这是微软对Windows10 IoT的解释。利用Windows10 IoT可以实现跨平台，在不同平台上有相同的表现。IoT系统主要有两种：

  • Windows IoT Core

    Built for small, secure, smart devices. Our smallest Windows 10 operating system can run on both Intel or ARM hardware.

  • Windows IoT Enterprise

    Bringing the full power of Windows to smart devices, Windows 10 IoT Enterprise has specialized lockdown features for creating dedicated devices.

对于树莓派来说安装的是Windows10 IoT Core。

 

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最近业余有点空闲时间，入手了一台树莓派3B+，想业余时间架点服务，另外尝试一下连接一些外设玩玩。第一次玩，很多不清楚的，所以边玩边写下来。

 

一 硬件

 

目前最新的树莓派版本是3B+，今年3月发布，上一代是16年发布的。主要区别在于CPU 频率提升到了1.4G， 网卡升级到了1000M，支持5GWIFI， 蓝牙升级到4.2。

其他树莓派型号如下：

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我们在浏览器访问一个网页时，一般输入一个网页的地址，比如： www.baidu.com，然后就可以和远程服务器建立HTTP连接传输数据。但是对于网络层来说，它只认识IP地址，并不认识网页地址。所以他们之间有一个转换的过程。这个转换过程是DNS服务完成的。

 

域名

 

网域名称（英语：Domain Name），简称域名、网域，是由一串用点分隔的名字组成的Internet上某一台计算机或计算机组的名称，用于在数据传输时标识计算机的电子方位（有时也指地理位置）。

IP地址是Internet主机的作为路由寻址用的数字体标识，人不容易记忆。因而产生了域名这一种字符型标识。

域名是有分级的，顶级域名主要按照组织(com, org, net)和地区(us, cn, hk ,cc)划分。比如我注册的xxxx.cc这个域名，.cc是一个地区顶级域名，xxxx.cc是顶级域名下的一个二级域名。 而www.xxxx.cc, blog.xxxx.cc 这些都是三级域名，而xxx.blog.xxxx.cc是四级域名，依次类推。

 

DNS

 

网域名称系统（英文：Domain Name System，缩写：DNS）是互联网的一项服务。它作为将域名和IP地址相互映射的一个分布式数据库，能够使人更方便地访问互联网。DNS使用TCP和UDP端口53。当前，对于每一级域名长度的限制是63个字符，域名总长度则不能超过253个字符

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一 VPS是啥

 

虚拟专用服务器（英语：Virtual private server，缩写为 VPS），是指通过虚拟化技术在独立服务器中运行的专用服务器。每个使用VPS技术的虚拟独立服务器拥有各自独立的公网IP地址、操作系统、硬盘空间、内存空间、CPU资源等，还可以进行安装程序、重启服务器等操作，与运行一台独立服务器基本相同。

这是维基百科上的解释。其实和我们自己在电脑上装虚拟机是一样的，只不过VPS有独立的公网IP。多个VPS之间系统是隔离的，但是硬件不是隔离的。 比如Host Server是8核CPU+16G内存，如果安装了8个VPS，那么每个分配1核CPU+2G内存。用过虚拟机的就明白的，不用多解释。

VPS系统主要是xUNIX系统，这样不需要图形界面，远程SSH上去操作。目前也有Windows的VPS，主要就是图形化的远程登录操作。VPS就好比是自己电脑，自由度很大。

 

虚拟主机？云主机？

 

虚拟主机（英语：Virtual Host）（英语：Shared Web Hosting），又称虚拟服务器、主机空间或是网页空间，是一种网络技术，可以让多个主机名称（host name），在一个单一服务器（或是一个服务器组）上运作，而且可以分开支持每个单一的主机名称。

虚拟主机是以前用的比较多的，主要用来架设个人网站，搭建FTP服务器等。利用Apache和IIS 就很容易搭建虚拟主机。以前主要使用FTP等方式进行远程操作。相对于VPS自由度比较小。而云服务可以说是VPS加上云的概念，是在一组集群主机上划分出的多个VPS集群。

所以个人用而言，使用VPS是最好的选择。一般使用xUNIX系统，无论是科学上网、建站、搭建云盘等等都不在话下。

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前言

 

前一篇我们介绍了内存管理中的分页试内存管理，分页的主要作用就是使得每个进程有一个独立的，完整的内存空间，通过虚拟内存技术，使得程序可以在较小的内存上运行，而进程之间内存空间相互独立，提高了安全性。这一篇将主要介绍内存管理中分段管理，以及两种的结合，也是目前计算机普遍采用的段页式内存管理。这也直接决定了的后面程序的编译，加载以及允许时的内存布局。

 

 

 

1. 内存分段

 

 

1.1 为什么分段？

 

 

在x86-16体系中，为了解决16位寄存器对20位地址线的寻址问题，引入了分段式内存管理。而CPU则使用CS，DS，ES，SS等寄存器来保存程序的段首地址。当CPU执行指令需要访问内存时，只会送出段内的偏移地址，而通过指令的类型类确定访问那一个段寄存器。具体可以参考：计算机原理学习（5）– x86-16 CPU和内存管理

 

到了IA-32，Intel引入了保护模式，所以在IA-32中为了保持兼容性，所以同样支持内存分段管理。另外我们讨论过了内存分页，页面中包含了程序的代码，数据等信息，它们都有各自的地址。这些地址是在编译的时候就确定的，因为每个进程都有独立完整的内存空间，只需要把页和物理页映射就能运行，所以这个地址是可以在编译时就决定的。在编译时，编译器会等程序进行语法词法等分析，在编译过程中会建立许多的表，来确定代码和变量的虚拟地址：

  • 被保存起来供打印清单的源程序正文；
  • 符号表，包含变量的名字和属性；
  • 包含所有用到的整形和浮点型数据的表；
  • 语法分析树，包括程序语法分析的结果；
  • 编译器内部过程调用的堆栈。

前面4张表会随着编译的进行不断增大，而堆栈的数据也会变化，现在的问题就是，每一张表的大小都不确定，那么如何指定每一张表在虚拟内存空间的地址呢？

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前言

 

 

上一篇我们了解了x86-16 CPU计算机的内存访问方式，寻址方式，以及基于MS-DOS的应用程序的内存布局。这一篇会主要介绍32位处理器的内存访问，内存管理以及应用程序的内存布局。虽然目前64位CPU已经非常普及了，不过相对于32位的内存管理方式并没有大的变化，而32位相对于16位却有了极大的改变。

 

 

1.  IA-32 CPU

 

1985年10月。Intel推出了80386 CPU 用来取代之前x86-16位的架构，一直到现在差不多块20年的时间里，虽然处理的速度，制造工艺都在不断提升，但x86-32的架构都没有大的改变。一般我们说的IA-32, I386和x86-32是一个意思。

从80386开始，地址线变为了32位，和CPU寄存器以及运算单元位数一样，最大寻址范围增加到4G。所以在也不会出现16位CPU时访问内存出现的问题。另外80386处理器都可以支持虚拟存储器，支持实模式，保护模式和虚拟8086模式，支持多任务。 而之后的CPU，主要的改进就在于：

  1. CPU内部集成DMA,计数器，定时器等；
  2. 制造工艺的提示，更多的晶体管，更快的速度
  3. 加入更多的指令集，如MMX,SSE,SSE2等
  4. 集成L1，L2，L3高速缓存，减少外部总线的访问
  5. 超线程，多核心提高CPU效率

但是在内存管理访问，却没有太大的变化，所以我们后面介绍的内容基本上可以试用所有的x86-32 CPU而不用特意去区分那个型号的CPU。

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前言

 

 

前面我们已经了解了计算机硬件的工作原理，以及操作系统的发展。我们知道是内存把计算机硬件和软件联系了起来。不夸张的说，了解了软件在内存中的结构，就基本了解了程序最底层的运行原理。所以从这一篇开始，将深入的讨论计算机中内存管理和布局。内存的管理同计算机硬件以及擦做系统是分不开的。这一篇我们主要讨论早期x86 CPU和DOS系统对于内存的管理。

 

 

1. 8086 CPU

 

说到CPU，我们第一个想到的应该就是Intel。 1971年11月15号，Intel发布了全球第一款微处理器Intel 4004，这是一个主频只有108KHz的4bit处理器。而后又发布了8bit的8008处理器。而我们最熟悉的应该就是8086，为什么？因为随便找一本汇编的书籍看看，都会有8086四个大字。因为8086标志着Intel x86体系结构的CPU的开始。而且8086/8088开始用于便携电脑，所以我们就从8086开始介绍。80186除8086内核，另外包括了中断控制器、定时器、DMA、I/O、UART、片选电路等外设。

 

 

1.1 8086/8088内存访问

 

8086是x86体系结构的开始，他采用了16bit，但是地址线却用了20位。前面介绍CPU工作原理的时候哦我们知道，CPU内部有一个PC计数器，用来存储下一个要执行的物理地址。但是16位的寄存器如何存储20位的地址呢？

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前言

 

 

前面的文章主要都是计算机硬件相关的一些工作原理。而前一篇文章介绍了内存的工作原理，编址方式，逐步过渡到软件上面来了。前面也说过，内存是一个非常重要的部件，因为CPU所需的指令和数据都在内存中。所以从这一篇开始我们主要看看程序运行时在内存中的布局。

 

我们知道对于计算机系统来说，最底层的是硬件，硬件之上是操作系统，而我们的程序都是基于操作系统来运行的，而不是基于硬件，这样操作系统为我们提供了一层抽象，所以对于程序员来说，不需要特别的关注计算机硬件。所以正常来说介绍完硬件后，应该来介绍操作系统。但是我们知道在计算机在不断的发展，硬件，操作系统都在不断发展。而无论怎么发展，程序运行都离不开内存，所以我决定以内存和出发点，来看硬件，操作系统以及应用程序的发展过程。

 

 

 

1. 操作系统和内存布局

在第一代计算机时期，构成计算机的主要元器件是电子管，计算机运行速度慢(只有几千次/秒)，当时没有操作系统，甚至没有任何软件。程序员首先编写程序，然后直接在计算机的控制台上操纵程序运行。

 

 

1.1 人工操作方式

 

当时的计算机有一个控制面板，上面有一些开关，当要启动计算机的使用，就是要把启动程序用手工输入到机器里去，其方法就是利用机柜面板上的一排开关，用二进制代码把指令一条一条拨进去。但是指令有限，干不了太多事情。

 

所以当时程序员使用机器码编写程序，然后通过打孔机，将程序转换到打孔的纸袋上。纸袋每排有八个孔的位置，穿了孔的代表1，没穿孔的代表0。然后通过纸带机等设备手工将程序装入计算机的内存，按动控制台开关和按扭确定程序的起始地址并启动程序执行。程序员只能通过控制台上的显示灯来观察程序执行情况。当程序运行出错时，程序员直接通过控制台开关来停止程序运行，检查内存及寄存器内容并调试程序。程序运行结果可以通过打印机或穿孔机输出。

 

上图就是纸袋和纸袋读入机器。但是存储程序的介质是纸袋，而加载程序是通过纸带机。其实这里我也有个疑问：

  1. 纸带机是如何把纸袋上的程序加载到内存的呢？
  2. 程序被加载到内存的地址是如何确定的呢？

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前言

 

 

前面两篇文章介绍了计算机硬件是如何工作的。而从这一章开始将逐渐的转到软件上面来。我们还有内存这一个很重要的部分没有介绍。这一章不仅仅介绍内存的工作原理，还会介绍内存的编址、内存数据存放。逐渐从硬件过渡到软件上来。为后面介绍程序运行打下基础。

 

 

 

1. 内存工作原理

 

 

CPU和内存是计算机中最重要的两个组件，前面已经知道了CPU是如何工作的，上一篇也介绍了内存采用的DRAM的存储原理。CPU工作需要知道指令或数据的内存地址，那么这样一个地址是如何和内存这样一个硬件联系起来的呢？现在就看看内存到的是怎么工作的。

 

 

1.1 DRAM芯片结构

上图是DRAM芯片一个单元的结构图。一个单元被分为了N个超单元（可以叫做cell），每个单元由M个DRAM单元组成。我们知道一个DRAM单元可以存放1bit数据， 所以描述一个DRAM芯片可以存储N*M位数据。上图就是一个有16个超单元，每个单元8位的存储模块，我们可以称为16*8bit 的DRAM芯片。而超单元（2,1）我们可以通过如矩阵的方式访问，比如 data = DRAM[2.1] 。这样每个超单元都能有唯一的地址，这也是内存地址的基础。

 

每个超单元的信息通过地址线和数据线传输查找和传输数据。如上图有2根地址线和8根数据线连接到存储控制器（注意这里的存储控制器和前面讲的北桥的内存控制器不是一回事），存储控制器电路一次可以传送M位数据到DRAM芯片或从DRAM传出M位数据。为了读取或写入【i,j】超单元的数据，存储控制器需要通过地址线传入行地址i 和列地址j。这里我们把行地址称为RAS(Row Access Strobe)请求, 列地址称为(Column Access Strobe)请求。

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前言

 

 

前一篇文章介绍了冯诺依曼体系结构的计算机的基本工作原理，其中主要介绍了CPU的结构和工作原理。这一篇主要来介绍存储区，总线，以及IO设备等其他几大组件，来了解整个计算机是如何工作的。 这些东西都是看得见摸得着的硬件，平时我们买电脑时最关注的就是CPU的速度，内存的大小，主板芯片等等的参数。

 

 

 

1. 存储器

 

前面我们以一个简单通用的计算机模型来介绍了CPU的工作方式，CPU执行指令，而存储器为CPU提供指令和数据。 在这个简单的模型中，存储器是一个线性的字节数组。CPU可以在一个常数的时间内访问每个存储器的位置，虽然这个模型是有效的，但是并不能完全反应现代计算机实际的工作方式。

 

 

1.1 存储器系统层次结构

 

在前面介绍中，我们一直把存储器等同于了内存，但是实际上在现代计算机中，存储器系统是一个具有不同容量，不同访问速度的存储设备的层次结构。整个存储器系统中包括了寄存器、Cache、内部存储器、外部存储。下图展示了一个计算机存储系统的层次图。层次越高速度越快，但是价格越高，而层次越低，速度越慢，价格越低。

 

相对于CPU来说，存储器的速度是相对比较慢的。无论CPU如何发展，速度多块，对于计算机来说CPU总是一个稀缺的资源，所以我们应该最大程度的去利用CPU。其面我们提到过CPU周期，一个CPU周期是取1条指令的最短的时间。由此可见，CPU周期在很大程度上决定了计算机的整体性能。你想想如果当CPU去取一条指令需要2s，而执行一个指令只需要2ms，对于计算机来说性能是多么大的损失。所以存储器的速度对于计算机的速度影响是很大的。

 

对于我们来说，总是希望存储器的速度能和CPU一样或尽量的块，这样一个CPU周期需要的时钟周期就越少。但是现实是，这样的计算机可能相当的昂贵。所以在计算机的存储系统中，采用了一种分层的结构。速度越快的存储器容量越小，这样就能做到在性能和价格之间的一个很好的平衡。

 

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