计算机硬件基础（一）

1、编程语言的作用及与操作系统和硬件的作用？

　　任何一种编程语言最终的作用是通过Windows/Linux等操作系统来控制硬件工作。

　　 应用程序发送指令给操作系统后，操作系统首先将收到的指令进行解码然后传送给过内存，内存将硬盘对应路径的数据逐步提取供CPU使用。

2、cpu与寄存器，内核态与用户态及如何切换？

　   计算机的大脑就是CPU，它从内存中取指令->解码->执行，然后再取指->解码->执行下一条指令，周而复始，直至整个程序被执行完成。

　　寄存器特性读写速度快，内存小。非常重要的寄存器就是程序状态字寄存器(Program Status Word,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（用户态或内核态），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非常非常非常非常非常非常重要。

　　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，很明显，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）

　　用户态：用户程序在用户态下运行，仅仅只能执行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保护的，不能被别的程序占用），当然，在用户态下，将PSW中的模式设置成内核态也是禁止的。

　　用户态下工作的软件不能操作硬件，但是我们的软件比如暴风影音，一定会有操作硬件的需求，比如从磁盘上读一个电影文件，那就必须经历从用户态切换到内核态的过程，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。

3、CPU工作原理：

　　取指令：从应用操作系统中获取指令；

　　解码：将获取的指令进行解析；

　　执行：将结果返还给应用程序。

4、存储器系列，L1缓存，L2缓存，内存（RAM），EEPROM和闪存，CMOS与BIOS电池 

     存储器系列：存储器按照典型访问时间，存储容量分为5个梯度，从高到低排列，寄存器，高速缓存，内存，硬盘，磁带。 

     寄存器，1ns，<1K 

     高速缓存,2ns,4M 

     内存，10ns,512-2048MB 

     硬盘，10ms,200-1000GB 

     磁带，100s，400-800GB 

     L1缓存即为寄存器，L2缓存即为高速缓存，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，通常称为随机访问存储RAM，容量一直在不断攀升，所有不能在高速缓存中找到的，都会到主存中找，主存是易失性存储，断电后数据全部消失。 

     除了主存RAM之外，许多计算机已经在使用少量的非易失性随机访问存储如ROM（Read Only Memory，ROM），在电源切断之后，非易失性存储的内容并不会丢失，ROM只读存储器在工厂中就被编程完毕，然后再也不能修改。ROM速度快且便宜，在有些计算机中，用于启动计算机的引导加载模块就存放在ROM中，另外一些I/O卡也采用ROM处理底层设备的控制。 

     EEPROM（Electrically Erasable PROM，电可擦除可编程ROM）和闪存（flash memory）也是非易失性的，但是与ROM相反，他们可以擦除和重写。不过重写时花费的时间比写入RAM要多。在便携式电子设备中中，闪存通常作为存储媒介。闪存是数码相机中的胶卷，是便携式音译播放器的磁盘，还应用于固态硬盘。闪存在速度上介于RAM和磁盘之间，但与磁盘不同的是，闪存擦除的次数过多，就被磨损了。 

     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（BIOS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。

5、磁盘结构，平均寻道时间，平均延迟时间，虚拟内存与MMU

    磁盘低速的原因是因为它一种机械装置，在磁盘中有一个或多个金属盘片，它们以5400，7200或10800rpm（RPM =revolutions per minute 每分钟多少转 ）的速度旋转。从边缘开始有一个机械臂悬在盘面上，这类似于老式黑胶唱片机上的拾音臂。信息卸载磁盘上的一些列的同心圆上，是一连串的2进制位（称为bit位），为了统计方法，8个bit称为一个字节bytes，1024bytes=1k，1024k=1M，1024M=1G,所以我们平时所说的磁盘容量最终指的就是磁盘能写多少个2进制位。

     每个磁头可以读取一段换新区域，称为磁道 

     把一个戈丁手臂位置上所以的磁道合起来，组成一个柱面 

     每个磁道划成若干扇区，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

 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到时间，找到了磁道就以为着招到了数据所在的那个圈圈，但是还不知道数据具体这个圆圈的具体位置

 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

虚拟内存与MMU

     虚拟内存使电脑能运行大于真实内存的程序，虚拟内存一般设置为真实内存的1-1.5倍，其工作原理是在真实内存上运行重要的数据，暂时不需要的先放在硬盘的某处，这里即称为虚拟内存，在linux中成为swap，这种机制的核心在于快速地映射内存地址，由cpu中的一个部件负责，成为存储器管理单元(Memory Management Unit MMU)。

6、磁带

    磁带价格便宜，容量大，多作为备份用，并且易于搬运。

7、设备驱动与控制器

    设备驱动：举例内存插入主板，下面有一块芯片，控制内存，但是光有芯片不行，系统需要操控内存，但是光写让自己得硬件可以理解的程序不行，操作系统不能理解这段程序的话，操作系统不能操作内存，所以需要设备厂商写设备驱动，已操作硬件。

    控制器：是查找主板上的一块芯片或一组芯片（硬盘，网卡，声卡等都需要插到一个口上，这个口连的便是控制器），控制器负责控制连接的设备，它从操作系统接收命令，比如读硬盘数据，然后就对硬盘设备发起读请求来读出内容。

8、总线与南桥和北桥

    CPU、内存以及I/O设备都由一条系统总线（bus）连接起来并通过总线与其他设备通信

   北桥即PCI桥：连接高速设备

   南桥即ISA桥：连接慢速设备

9、操作系统的启动流程：

　　1、计算机加电；

　　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的内容（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、根据分区信息读入bootloader启动装载模块，启动操作系统； 

　　6、然后操作系统询问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。然后初始有关的表格（如进程表），穿件需要的进程，并在每个终端上启动登录程序或GUI（图形图像界面）。

10、应用程序的启动原理如下：

　　1、在操作系统的界面打开应用程序；

　　2、应用程序发送指令给操作系统，需要打开这个软件；

　　3、操作系统再通知到CPU去内存调用应用程序；

　　4、内存在硬盘的相应路径下找到该应用程序。