计算机基础

一、编程语言的作用及与操作系统和硬件的关系

      编程语言就和我们人与人之间交流所用到的语音一样，是一门语言，只不过它是用于人与计算机交流的语言，比如：C,C++,C#,JAVA,Python等等都是编程语言。它的作用大多数是程序员用于编写程序，也就是我们所用到的软件。而我们程序员所编写的软件是必须运行在操作系统之上的，操作系统呢，就是用来控制计算机硬件的。所以说我们要学好一门编程语言，就要首先要学习计算机的硬件，然后是操作系统，最后就是python这门语言了。

二、计算机硬件发展史

      http://www.cnblogs.com/linhaifeng/p/6428430.html

三、计算机的组成

     计算机是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。

     硬件系统主要有五大部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。

     运算器：是负责算术运算与逻辑运算。与控制器共同组成了中央处理器(CPU)。

     控制器：是负责发送和接收指令。

     存储器：是用来存储正在进行程序、将要进行程序的数据及刚处理完的数据。

     输入设备：是用来进行输入的设备。如键盘，扫描仪等。

     输出设备：是用来进行输出的设备。如显示器，音箱等。

     主板：主板一般为矩形电路板，上面安装了组成计算机的主要电路系统，一般有BIOS芯片、I/O控制芯片、键和面板控制开关接口、指示灯插接件、扩充插槽、主板及插卡的直流电源供电接插件等元件。

     BIOS是英文"Basic Input Output System"的缩略语，即"基本输入输出系统"。是一组固化到计算机内主板上一个ROM芯片上的程序，它保存着计算机最重要的基本输入输出的程序、系统设置信息、开机后自检程序和系统自启动程序。 其主要功能是为计算机提供最底层的、最直接的硬件设置和控制。

     I/O控制芯片：负责提供串行、并行接口及软盘驱动器控制接口。

3.1  硬件和软件与用户的关系

      硬件是基础，硬件通过系统软件控制来启动硬件，并让各个硬件之间相互协同工作，在系统软件的基础上是用户，用户操纵的是操作系统，并在系统软件的基础上安装相应的应用软件，来完成用户所需的工作。所以说最底层的是硬件，硬件上是系统软件，系统软件上一层是应用软件，而最上层的是用户。

3.2 操作系统

      操作系统（Operating System,简称OS）是管理和控制计算机硬件与软件资源的计算机程序，是直接运行在“裸机”的最基本的系统软件，任何其他软件都必须在操作系统的支持下才能运行。操作系统是用户和计算机的接口，同时也是计算机硬件和其他软件的接口，功能包括管理计算机系统的硬件，软件及数据资源，控制程序运行，改善人机界面，为其他应用软件提供支持，为其他软件的开发提供必要的服务和相应的接口等。实际上，用户不用接触操作系统的，操作系统管理着计算机硬件资源，同时按照应用程序的资源请求，分配资源，如划分CPU时间，内存空间的开辟，调用打印机等。

3.3 计算机硬件介绍

      大致来讲，计算机可以抽象为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，如下图：

（1）CPU：计算机的大脑

      CPU的作用就是从内存中取指令->解码->执行，然后再从内存里面取指->解码->执行，这样不断循环操作直到程序执行完成为止。在这期间，CPU访问内存的得到数据或者指令的时间要比执行的时间要长，所以，就需要一个地方来存储临时数据和关键变量，那就是寄存器。

寄存器的分类：

      1.通用寄存器：保持临时变量和运算结果

      2.程序计数器：它保存了将要取出的下一条指令的内存地址。在指令取出后，程序计算器就被更新以便执行后期的指令。

      3.堆栈指针寄存器：它指向内存中当前栈的顶端。该栈包含已经进入但是还没有退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：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

寄存器的维护：

　　操作系统必须知晓所有的寄存器。在时间多路复用的CPU中，操作系统会经常中止正在运行的某个程序并启动（或再次启动）另一个程序。每次停止一个运行着的程序时，操作系统必须保存所有的寄存器，这样在稍后该程序被再次运行时，可以把这些寄存器重新装入。

处理器设计的演变：

      1.最开始取值、解码、执行这三个过程是同时进行的，这意味着任何一个过程完成都需要等待其余两个过程执行完毕，时间浪费

      2.后来被设计成了流水线式的设计，即执行指令n时，可以对指令n+1解码，并且可以读取指令n+2,完全是一套流水线。

      3.超变量cpu，比流水线更加先进，有多个执行单元，可以同时负责不同的事情，比如看片的同时，听歌，打游戏。

两个或更多的指令被同时取出、解码并装入一个保持缓冲区中，直至它们都执行完毕。只有有一个执行单元空闲，就检查保持缓冲区是否还有可处理的指令

      这种设计存在一种缺陷，即程序的指令经常不按照顺序执行，在多数情况下，硬件负责保证这种运算结果与顺序执行的指令时的结果相同。

内核态和用户态：

      一般在PSW中有一个二进制位控制CPU的两种用户模式，那就是内核态和用户态。

      内核态：当CPU以内核态运行时，CPU可执行包含的所有的指令集，包括那些可以操作硬件的指令集，我们的操作系统是运行在内核态的，所以可以操作我们的硬件；

      用户态：我们的应用软件是运行在用户态下的，用户态下的CPU只能运行全部指令集内的部分子集，这部分子集不含操作硬件的功能，所以，一般情况下，在用户态下I/O和内存是保护的，因为操作系统的内存是受保护的，不能被占用的，并且，用户态下，PSW设置成内核态也是禁止的。

内核态和用户态的切换：

      我们上面已经了解到，用户态下工作的应用软件是不能直接操作硬件的，比如我们想用网易云音乐听歌，那CPU就必须经历用户态切换到内核态的过程，这就需要用到系统调用（system call）了，系统调用陷入内核并调用我们的操作系统，通过TRAP指令将内核状态进行切换，从而通过操作系统来获得我们想要的功能和服务。请把的系统调用看成一个特别的的过程调用指令就可以了，该指令具有从用户态切换到内核态的特别能力。

多线程和多核芯片

      根据Moore定律，芯片中的晶体管数量每经历18个月就会增加一倍，所以，我们用的CPU不断的在更新强大中：

      1、第一步的增强就是在CPU芯片中加入了更大的缓存L1，他是用和CPU相同的的材质制成的，所以执行过程中并没有延时(后来又出现了二级缓存L2，三级缓存L3)；

      2、第二步的增强就是Intel公司发明了多线程和超线程，使得CPU执行任务时能够同时执行多个任务，对用户来说也就相当于多个CPU来执行多个任务，这样CPU执行任务的效率有很大一步的提升，但是本质上其实是多个线程执行时，在执行过程中是用极短的时间来相互切换任务执行的，对于用户来说用肉眼是无法分辨的，所以多线程并不是真正的多个任务来并行处理。

      3、第三步的增强就是出现了2个或者4个或者8个核心的处理器的芯片，如下图：

（2）存储器：计算机的记忆方式

     存储器系统采用如上图的分层结构，顶层的存储器速度较高，容量较小，与底层的存储器相比每位的成本较高，其差别往往是十亿数量级的

    寄存器：L1缓存，用与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中为32*32，在64位cpu中为64*64，在两种情况下容量均<1KB。

　  高速缓存：L2缓存，主要由硬件控制高速缓存的存取，内存中有高速缓存行按照0~64字节为行0，64~127为行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。当某个程序需要读一个存储字时，高速缓存硬件检查所需要的高速缓存行是否在高速缓存中。如果是，则称为高速缓存命中，缓存满足了请求，就不需要通过总线把访问请求送往主存(内存)，这毕竟是慢的。高速缓存的命中通常需要两个时钟周期。高速缓存为命中，就必须访问内存，这需要付出大量的时间代价。由于高速缓存价格昂贵，所以其大小有限，有些机器具有两级甚至三级高速缓存，每一级高速缓存比前一级慢但是容量大。

     随机存储器（RAM）：我们通常说的内存就是RAM，具体分类这里不一一列举，也就是我们通常说的DDR1代、DDR2代、DDR3代的1G/2G/4G/8G内存，现在已经到了DDR4代的产品。随机存储器（Random Access Memory）表示既可以从中读取数据，也可以写入数据。当机器电源关闭时，存于其中的数据就会丢失。我们通常购买或升级的内存条就是用作电脑的内存，内存条（SIMM）就是将RAM集成块集中在一起的一小块电路板，它插在计算机中的内存插槽上，以减少RAM集成块占用的空间。如下图：

EEPROM与闪存

      EEPROM（Electrically Erasable PROM，电可擦除可编程ROM）和闪存（flash memory）也是非易失性的，存储器技术的成熟使得RAM和ROM之间的界限变得很模糊，如今有一些类型的存储器(如EEPROM和闪存)组合了两者的特性。这些器件像RAM一样进行读写，并像ROM一样在断电时保持数据，它们都可电擦除且可编程，但各自有它们优缺点。

      从软件角度看，独立的EEPROM和闪存器件是类似的，两者主要差别是EEPROM器件可以逐字节地修改，而闪存器件只支持扇区擦除以及对被擦除单元的字、页或扇区进行编程。对闪存的重新编程还需要使用SRAM，因此它要求更长的时间内有更多的器件在工作，从而需要消耗更多的电池能量。设计工程师也必须确认在修改数据时有足够容量的SRAM可用。

      存储器密度是决定选择串行EEPROM或者闪存的另一个因素。市场上可用的独立串行EEPROM器件的容量在128KB或以下，独立闪存器件的容量在32KB或以上。

如果把多个器件级联在一起，可以用串行EEPROM实现高于128KB的容量。很高的擦除/写入耐久性要求促使设计工程师选择EEPROM，因为典型的串行EEPROM可擦除/写入100万次。闪存一般可擦除/写入1万次，只有少数几种器件能达到10万次。

只读存储器（ROM）

      ROM表示只读存储器（Read Only Memory），在制造ROM的时候，信息（数据或程序）就被存入并永久保存，所以它是非易失性的。这些信息只能读出，一般不能写入，即使机器停电，这些数据也不会丢失。ROM一般用于存放计算机的基本程序和数据，如BIOS ROM。其物理外形一般是双列直插式（DIP）的集成块。

      BIOS是英文"Basic Input Output System"的缩略词，直译过来后中文名称就是"基本输入输出系统"。其实，它是一组固化到计算机内主板上一个ROM芯片上的程序，它保存着计算机最重要的基本输入输出的程序、开机后自检程序和系统自启动程序，它可从CMOS中读写系统设置的具体信息。 其主要功能是为计算机提供最底层的、最直接的硬件设置和控制。

      CMOS因为它是易失性的所以需要一个电池来长久存储BIOS里面的设置信息的，比如计算机的时间和日期

（3）磁盘

      在图中我们可以看到，硬盘内部是有好多盘面被一个转轴为同心圆连接起来的，由转轴来转动，然后磁臂的摆动，磁头在盘面不停的读写数据，就因为这样的构造，所以他的读写速度是有瓶颈的，一般读写速度都是依据他转轴的转速，我们目前一般的家用台式机或笔记本用的硬盘转速都是5400rpm或者7200rpm（RPM =revolutions per minute 每分钟多少转 ），只有服务器上面用的硬盘是比较高端的转速能达到10000rpm以上。

      机械硬盘存储数据一般是分扇区存储的这是他的物理属性，一个扇区是512Bytes，在Windows中一般是按照扇区存储数据，在Linux中是按照block块为单位存储数据的，1个block块=8个扇区=8*512Bytes=4kB。

      我们在存储设备是以2进制为基础的单位为bit，数据大小的统计单位是这样换算的，8个bit称为一个字节1bytes，1024bytes=1kB，1024KB=1MB，1024MB=1GB，1024GB=1TB。。。

      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：

      许多计算机支持虚拟内存机制，该机制使计算机可以运行大于物理内存的程序，方法是将正在使用的程序放入内存取执行，而暂时不需要执行的程序放到磁盘的某块地方，这块地方成为虚拟内存，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)

      PS：从一个程序切换到另外一个程序，成为上下文切换(context switch),缓存和MMU的出现提升了系统的性能，尤其是上下文切换

      MMU：是Memory Management Unit的缩写，中文名是内存管理单元，它是中央处理器(CPU)中用来管理虚拟存储器、物理存储器的控制线路，同时也负责虚拟地址映射为物理地址，以及提供硬件机制的内存访问授权，多用户多进程操作系统。

（4）磁带

      在价钱相同的情况下比硬盘拥有更高的存储容量，虽然速度低于磁盘，但是因其大容量，在地震水灾火灾时可移动性强等特性，常被用来做备份。

（5）I/O设备

      CPU和存储器并不是操作系统唯一需要管理的资源，I/O设备也是非常重要的一环。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：控制器负责控制连接的设备，它从操作系统接收命令，然后就对设备发起读请求。

      控制器的功能：为操作系统提供一个接口。

      设备本身：有相对简单的且标准的接口，这样大家都可以为其编写驱动程序了。

      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。

（6）总线：连接计算机各个组件的主线

      北桥即PCI桥：连接高速设备

      南桥即ISA桥：连接慢速设备

四、计算机启动流程

      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

 五、软件的启动流程

      点击应用程序（软件）→软件将数据写入内存→CPU从内存中读取数据并执行然后返回内存→启动软件