计算机一般由运算器，控制器，输出设备，输入设备和存储器这五部分组成。或者说简单点就是由计算机硬件，操作系统和软件组成。学习python后所编写出来的程序属于软件，为了使所编写的软件更有效科学合理，我们有必要了解一下计算机硬件。
一台简单的个人计算机可以抽象如下图的模型：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。
一个比喻可以更好的理解：CPU是人的大脑，负责运算；内存是人的记忆，负责临时存贮；硬盘是人的笔记本负责永久保存；输入设备是人的眼睛和耳朵，负责将信息传送给大脑CPU；输出结果是你的表情，负责输出经过处理后的结果；人的神经就相当于总线，将以上部分连接起来。
（一）CPU
又叫处理器，工作原理为从内存中取指令----解码---执行，然后再取指令----解码---执行，不断循环直到整个程序被执行完。每个CPU都有自己一套可执行的专门指令集，任何软件的执行最终都要转化成CPU的指令集去执行。
寄存器：位于CPU内部，用来保存关键变量和临时数据。大小小于1KB。有以下四种类型的寄存器：
1.通用寄存器：保存变量和临时结果；
2.程序计数器：保存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：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（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非常重要。
处理器的设计演变：
初期：取指令，解码，执行这三个是同时进行的，可一次只能执行一个，这意味着有2个是空着的；
中期：流水线式设计，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；
目前：超变CPU，可同时分别取指，解码，执行多个指令，有一个缓存区。’‘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”。如下图：
内核态与用户态：
用户软件程序不能直接使用计算机硬件，在需要使用时，需用户应用程序将自己的用户态执行状态切换到内核态，给操作系统发一个请求，即通过系统调用（sistem call）。("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。")
(二)存储器
存储在计算机硬件中占有第二的地位。并不是容量越大，读写就越快。对于硬盘来说，和转速有关系；对于寄存器，内存与固态硬盘来说，和硬件材质有关系；机械硬盘和固态硬盘一个是电的正负性原理一个是磁的正负性原理；存储器系统的分层结果如下图：
寄存器：即L1缓存，位于CPU内部，与cpu相同材质制造，与cpu一样快，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，在两种容量均<1KB；
高速缓存：即L2缓存，放CPU经常用的程序（寄存器中放最重要的和经常用的程序，但是容量有限，就再划出一个缓存来放经常用的程序），CPU从L2缓存里区程序要比从内存里取程序快很多。经常用的程序不是固定的，有时候在L2缓存里，有时候不在里面。CPU在高速缓存里找到了程序，称为高速缓存命中，在高速缓存中没有找到只能去内存找，叫告诉缓存未命中。L2缓存位置如下图：
内存：又叫主存，通常称为随机访问存储RAM。为易失性存储，断电后数据全部消失；除RAM外，还有非易失性只读存贮器（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。电可擦除可编程ROM（Electrically Erasable PROM）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。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会磨损。还有一种存储就是CMOS，为易失性，许多计算机利用CMOS存储器来计算机时间和日期。除此之外CMOS还保存配置的参数，比如开机时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
（三）磁盘
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。磁盘---磁道---扇区。1个扇区大小为512Bytes，操作系统是以Block这个单位读写文件的，8个扇区为1个Block。
数据都存放在一段一段的扇区上，几磁道这个圆圈中的一小段圆圈，从磁盘读取一段数据要经历寻道时间和延迟时间。有2个概念：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）和平均延迟时间（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：许多计算机都支持，指软件程序的大小大于计算机内存的大小。方法是将正在使用的程序放入内存去执行，而暂时不需要执行的程序放到磁盘的某块区域，这块区域称为虚拟内存，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，成为内存器管理单元（Memory Management Unite MMU）。
（四）磁带
价钱相同时比磁盘的容量更大，缺点是速率慢，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。（常见于大型数据库系统中）。
（五）I/O设备
2部分组成：设备控制器和设备本身。
控制器：是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。
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的工作，提供给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的，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。
（六）总线
单总线已经基本淘汰，比较流行的是如下图的多总线，他们处理I/O设备及cpu到存储器的速度都更快。
北桥即PCI桥：连接高速设备
南桥即ISA桥：连接慢速设备
（七）启动计算机
在计算机的主板上有一个基本的输入输出程序BIOS（Basic Input Output system)，BIOS就相当于一个小的操作系统，它有底层的I/O软件，包括读键盘，写屏幕，进行磁盘I/O,该程序存放于一非易失性闪存RAM中。
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
注： 参考linhaifeng老师课件整理的，课件地址http://www.cnblogs.com/linhaifeng/p/6523843.html#_label5