计算机基础知识

计算机基础知识

为什么要学习计算机基础

学习计算机基础就像盖一栋楼房一样，需要先打好地基才能继续盖房子，所以学习计算机基础就是学习如何打好地基。

python是一门编程语言，通俗一点就是语言，我们的汉语、英语、家乡话等众多语言，都是为了解决与人沟通所学习的语言，而我们学的编程语言是我们跟计算机沟通所学习的语言。当然计算机也有很多语言，比如：C、java、PHP、Python、Go等等语言，在我们中国java编程语言占领的中国市场半壁江山。

我们学习编程语言是将它用户编写程序的，最终开发的目的是创造一个软件，就像大家使用的QQ、抖音、快手等一系列软件，这些软件都是基于系统控制的，而在系统的底层是一个个计算机硬件的支持才能实现软件的运行。

计算机硬件介绍

硬件的目的：为了运行软件给它的一些命令。我们可以优先从硬件中提取出这三个主要的东西，分别为：CPU、内存、硬盘。

如果把计算机理解为人，我们可以总结为

CPU是人的大脑 负责运算

内存是人的记忆 负责临时存储

硬盘是人的笔记本 负责永久存储

输入设备是人的耳朵和眼睛 负责接收外部的信息并将信息交给cpu

处理器

计算机的大脑是CPU，它是从内存中提取命令、进行解码、执行，然后在提取指令、解码、执行、周而复始。知道整个程序的生命周期结束。

寄存器

寄存器是一个存储设备，最快的一种存储设备就是寄存器。

寄存器的分类

  1. 通用寄存器：用来保存变量和临时结果的。

  2. 程序计数器：它保存了将取出的吓一跳指令的内存地址，在指令取出后，陈哥徐计算器就被更新以便执行后期的指令。

  3. 堆栈指针：它只想内存中当前栈的顶端，该栈包含已经进入但是还没有推出的每个过程中的一个框架。在一个过程的堆栈框架中保存了有关的输入参数、局部变量以及那些没有保存在寄存器中的临时变量

  4. 程序状态字寄存器(Program Status Word 简称PSW)：这个寄存器包含了条码位(由比较指令设置)、CPU优先级、模式(用户态和内核态)，以及各种其他控制位。用户通常读入整个PSW,但是只对其中少量的字段写入。在系统调用和I/O中，PSW非常重要。

  5. 内核态和用户态

    1. 多数CPU都有两种模式，即内核态与用户态

      ​ 当cpu处于内核状态时，运行的是操作系统，能控制硬件(可以获取所有CPU的指令集)

      ​ 当CPU处于用户状态时，运行的是用户软件，不能控制硬件(可以获取所有CPU的指令集中的一个子集，该子集不包括操作硬件的指令集)

    2. 什么是内核态？

      ​ 内核态：当CPU在内核态运行时，CPU可以执行指令集中所有的指令，所有的指令中包含了使用硬件的所有功能(操作系统在内核态下运行，从而可以访问整个硬件)所以，归根姐弟通俗一点的话就是内核状态能控制硬件。

    3. 什么是用户态？

      ​ 用户程序在用户态下运行，仅能执行cpu整个指令集的一个子集，该子集中不包含操作硬件功能的部分，因此，一般情况下，在用户态中有关I/O和内存保护(操作系统占用的内存是受到保护的,不能被其他的程序占用)，在用户态下，将PSW中的模式设置成内核态也是禁止的。

  6. 内核态和用户态的切换

    1. 用户态下工作的软件是不能相互之间操作硬件的，但是有一些软件，比如暴风影音、Qvod一类的软件，我们要向从磁盘中读取一个电影文件，那就的从用户态切换到内核态，为此，用户程序必须使用系统调用(system call) 系统调用陷入内核并调用操作系统，TRAP指令把用户态切换成内核态，并启用操作系统从而获得服务。

存储器序列

  • L1缓存
  • L2缓存
  • 内存 RAM
  • EEPROM
  • 闪存
  • CMOS
  • BIOS电池

计算机中第二重要的就是存储，我们每个人都希望存储速度快，这样cpu的等待存储器的延迟就降低了，我们希望存储的硬件设备 速度快、容量大、价钱便宜。这样我们就可以存储很多影片。但是同时兼备三者是不可能的事情。所有有了以下的不同处理方法。

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寄存器即L1缓存：用于CPU相同材质制造，与CPU一样快，因而CPU访问它无时延，典型容量是：在32位CPU中32*32，在64位CPU中为64*64,在两种情况下容量均<1kb

告诉缓存即L2缓存：主要由硬件控制告诉缓存的存取，内存中有高速缓存行按照0-64字节为行，64-127位行1。最常用的高速缓存行放置在CPU内部或者非常接近CPU的高速缓存中

内存：主存通产成为随机访问存储RAM，内存的容量一直在不断攀升，所有不能在高速缓存中找到的，都会在主存中找，主存是易失性存储，断电后数据全部消失。

EEPROM（Electrically Erasable PROM，电可擦除可编程ROM）和闪存（flash memory）也是非易失性的。还有一类存储器就是CMOS，它是易失性的，许多计算机利用CMOS存储器来保持当前时间和日期。CMOS存储器和递增时间的电路由一小块电池驱动，所以，即使计算机没有加电，时间也仍然可以正确地更新，除此之外CMOS还可以保存配置的参数，比如，哪一个是启动磁盘等，之所以采用CMOS是因为它耗电非常少，一块工厂原装电池往往能使用若干年，但是当电池失效时，相关的配置和时间等都将丢失。

磁盘

磁盘由磁头、磁道、扇区组成的

磁道：每个磁头可以读取一段换新区域。把一个戈丁手臂位置上所有的磁道合起来，组成一个柱面。

每个磁道化分若干个扇区，扇区典型的值是512字节。

数据都存放于一段一段的扇区，即磁道这个圆圈的一小段圆圈，从磁盘读取一段数据需要经历寻道时间和延迟时间。

什么是寻道时间？

  • ** 平均寻道时间： 机械手臂从一个柱面随机移动到相邻的柱面的时间成为寻道时间，找到磁道就以为找到了数据所在的那块区域，但是还不知道数据具体这个区域的具体位置。
  • 平均延迟时间：机械臂到达正确的磁道之后还必须等待旋转到数据所在的扇区下，这段时间成为延迟时间

控制器的功能：通常情况下对设备的控制是非常复杂和具体的，控制器的任务就是为操作系统屏蔽这些复杂而具体到工作，提供个提操作系统一个简单而清晰的接口。

设备本身有相对简单的接口且标准，这样大家都可以为其编写驱动程序，要想调用设备，必须根据该接口编写复杂而具体的程序，于是有了控制器提供设备驱动接口给操作系统，必须把设备驱动程序安装到操作系统中。

总线

北桥即PCI桥：连接高速设备

南桥即ISA桥：连接慢速设备

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操作系统的启动流程

  1. 点击计算机开关加电。
  2. BIOS开始运行，检测硬件、CPU、内存、硬盘等。
  3. BIOS读取CMOS存储器中的参数，选择启动设备。
  4. 从启动设备上读取第一个扇区内容（MBR主引导记录512字节，前446为引导信息，后64为分区信息，最后两个为标志位）。
  5. 根据分区信息读取bootloader启动装载模块，启动操作系统。
  6. 操作系统询问BIOS，以获得配置信息，对于每种设备，系统会检查其设备驱动程序是否存在，如果没有，系统则会要求用户按照设备驱动程序。一旦有了全部的设备驱动程序，操作系统就将它们调入内核，然后初始有关的进程，穿件需要的进程。并在每个终端上启动登录程序和GUI。

应用程序启动流程

  1. 双击快捷键
  2. 告诉操作系统一个文件路径
  3. 操作系统从硬盘读取文件到内存中
  4. CPU从内存中读取数据执行

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