電腦基礎知識

電腦基礎知識

為什麼要學習電腦基礎

學習電腦基礎就像蓋一棟樓房一樣，需要先打好地基才能繼續蓋房子，所以學習電腦基礎就是學習如何打好地基。

python是一門程式語言，通俗一點就是語言，我們的漢語、英語、家鄉話等眾多語言，都是為了解決與人溝通所學習的語言，而我們學的程式語言是我們跟電腦溝通所學習的語言。當然電腦也有很多語言，比如：C、java、PHP、Python、Go等等語言，在我們中國java程式語言佔領的中國市場半壁江山。

我們學習程式語言是將它用戶編寫程式的，最終開發的目的是創造一個軟體，就像大家使用的QQ、抖音、快手等一系列軟體，這些軟體都是基於系統控制的，而在系統的底層是一個個電腦硬體的支援才能實現軟體的運行。

電腦硬體介紹

硬體的目的：為了運行軟體給它的一些命令。我們可以優先從硬體中提取出這三個主要的東西，分別為：CPU、記憶體、硬碟。

如果把電腦理解為人，我們可以總結為

CPU是人的大腦 負責運算

記憶體是人的記憶 負責臨時存儲

硬碟是人的筆記型電腦 負責永久存儲

輸入設備是人的耳朵和眼睛 負責接收外部的資訊並將資訊交給cpu

處理器

電腦的大腦是CPU，它是從記憶體中提取命令、進行解碼、執行，然後在提取指令、解碼、執行、周而復始。知道整個程式的生命周期結束。

暫存器

暫存器是一個存儲設備，最快的一種存儲設備就是暫存器。

暫存器的分類

  1. 通用暫存器：用來保存變數和臨時結果的。

  2. 程式計數器：它保存了將取出的嚇一跳指令的記憶體地址，在指令取出後，陳哥徐計算器就被更新以便執行後期的指令。

  3. 堆棧指針：它只想記憶體中當前棧的頂端，該棧包含已經進入但是還沒有推出的每個過程中的一個框架。在一個過程的堆棧框架中保存了有關的輸入參數、局部變數以及那些沒有保存在暫存器中的臨時變數

  4. 程式狀態字暫存器(Program Status Word 簡稱PSW)：這個暫存器包含了條碼位(由比較指令設置)、CPU優先順序、模式(用戶態和內核態)，以及各種其他控制位。用戶通常讀入整個PSW,但是只對其中少量的欄位寫入。在系統調用和I/O中，PSW非常重要。

  5. 內核態和用戶態

    1. 多數CPU都有兩種模式，即內核態與用戶態

      ​ 當cpu處於內核狀態時，運行的是作業系統，能控制硬體(可以獲取所有CPU的指令集)

      ​ 當CPU處於用戶狀態時，運行的是用戶軟體，不能控制硬體(可以獲取所有CPU的指令集中的一個子集，該子集不包括操作硬體的指令集)

    2. 什麼是內核態？

      ​ 內核態：當CPU在內核態運行時，CPU可以執行指令集中所有的指令，所有的指令中包含了使用硬體的所有功能(作業系統在內核態下運行，從而可以訪問整個硬體)所以，歸根姐弟通俗一點的話就是內核狀態能控制硬體。

    3. 什麼是用戶態？

      ​ 用戶程式在用戶態下運行，僅能執行cpu整個指令集的一個子集，該子集中不包含操作硬體功能的部分，因此，一般情況下，在用戶態中有關I/O和記憶體保護(作業系統佔用的記憶體是受到保護的,不能被其他的程式佔用)，在用戶態下，將PSW中的模式設置成內核態也是禁止的。

  6. 內核態和用戶態的切換

    1. 用戶態下工作的軟體是不能相互之間操作硬體的，但是有一些軟體，比如暴風影音、Qvod一類的軟體，我們要向從磁碟中讀取一個電影文件，那就的從用戶態切換到內核態，為此，用戶程式必須使用系統調用(system call) 系統調用陷入內核並調用作業系統，TRAP指令把用戶態切換成內核態，並啟用作業系統從而獲得服務。

存儲器序列

  • L1快取
  • L2快取
  • 記憶體 RAM
  • EEPROM
  • 快閃記憶體
  • CMOS
  • BIOS電池

電腦中第二重要的就是存儲，我們每個人都希望存儲速度快，這樣cpu的等待存儲器的延遲就降低了，我們希望存儲的硬體設備 速度快、容量大、價錢便宜。這樣我們就可以存儲很多影片。但是同時兼備三者是不可能的事情。所有有了以下的不同處理方法。

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暫存器即L1快取：用於CPU相同材質製造，與CPU一樣快，因而CPU訪問它無時延，典型容量是：在32位CPU中32*32，在64位CPU中為64*64,在兩種情況下容量均<1kb

告訴快取即L2快取：主要由硬體控制告訴快取的存取，記憶體中有高速快取行按照0-64位元組為行，64-127位行1。最常用的高速快取行放置在CPU內部或者非常接近CPU的高速快取中

記憶體：主存通產成為隨機訪問存儲RAM，記憶體的容量一直在不斷攀升，所有不能在高速快取中找到的，都會在主存中找，主存是易失性存儲，斷電後數據全部消失。

EEPROM（Electrically Erasable PROM，電可擦除可編程ROM）和快閃記憶體（flash memory）也是非易失性的。還有一類存儲器就是CMOS，它是易失性的，許多電腦利用CMOS存儲器來保持當前時間和日期。CMOS存儲器和遞增時間的電路由一小塊電池驅動，所以，即使電腦沒有加電，時間也仍然可以正確地更新，除此之外CMOS還可以保存配置的參數，比如，哪一個是啟動磁碟等，之所以採用CMOS是因為它耗電非常少，一塊工廠原裝電池往往能使用若干年，但是當電池失效時，相關的配置和時間等都將丟失。

磁碟

磁碟由磁頭、磁軌、扇區組成的

磁軌：每個磁頭可以讀取一段換新區域。把一個戈丁手臂位置上所有的磁軌合起來，組成一個柱面。

每個磁軌化分若干個扇區，扇區典型的值是512位元組。

數據都存放於一段一段的扇區，即磁軌這個圓圈的一小段圓圈，從磁碟讀取一段數據需要經歷尋道時間和延遲時間。

什麼是尋道時間？

  • ** 平均尋道時間： 機械手臂從一個柱面隨機移動到相鄰的柱面的時間成為尋道時間，找到磁軌就以為找到了數據所在的那塊區域，但是還不知道數據具體這個區域的具體位置。
  • 平均延遲時間：機械臂到達正確的磁軌之後還必須等待旋轉到數據所在的扇區下，這段時間成為延遲時間

控制器的功能：通常情況下對設備的控制是非常複雜和具體的，控制器的任務就是為作業系統屏蔽這些複雜而具體到工作，提供個提作業系統一個簡單而清晰的介面。

設備本身有相對簡單的介面且標準，這樣大家都可以為其編寫驅動程式，要想調用設備，必須根據該介面編寫複雜而具體的程式，於是有了控制器提供設備驅動介面給作業系統，必須把設備驅動程式安裝到作業系統中。

匯流排

北橋即PCI橋：連接高速設備

南橋即ISA橋：連接慢速設備

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作業系統的啟動流程

  1. 點擊電腦開關加電。
  2. BIOS開始運行，檢測硬體、CPU、記憶體、硬碟等。
  3. BIOS讀取CMOS存儲器中的參數，選擇啟動設備。
  4. 從啟動設備上讀取第一個扇區內容（MBR主引導記錄512位元組，前446為引導資訊，後64為分區資訊，最後兩個為標誌位）。
  5. 根據分區資訊讀取bootloader啟動裝載模組，啟動作業系統。
  6. 作業系統詢問BIOS，以獲得配置資訊，對於每種設備，系統會檢查其設備驅動程式是否存在，如果沒有，系統則會要求用戶按照設備驅動程式。一旦有了全部的設備驅動程式，作業系統就將它們調入內核，然後初始有關的進程，穿件需要的進程。並在每個終端上啟動登錄程式和GUI。

應用程式啟動流程

  1. 雙擊快捷鍵
  2. 告訴作業系統一個文件路徑
  3. 作業系統從硬碟讀取文件到記憶體中
  4. CPU從記憶體中讀取數據執行

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