• 计算机基本概况


    为何要了解计算机

    python是编程语言,即python是语言

    语言有英语、法语、葡萄牙语等,但凡是语言,都是用来沟通的介质。

    程序员编程的本质就是让计算机去工作,而编程语言就是程序员与计算机沟通的介质

    程序员要想让计算机工作,必须知道计算机能干什么,怎么干的,这也就是我们必须学习计算机基础的原因

    然而光有编程语言和硬件也并不能满足大家的编程需求,为什么这么说呢?

    程序用编程语言写程序,最终开发出的结果就是一个软件,既然是软件,那就与腾讯qq、YY、微信电脑板等软件没有区别了。这些软件必须运行在操作系统之上,你肯定会问:为何要有操作系统呢?没错,远古时代的程序员确实是在没有操作系统的环境下,用编程语言之间操作硬件来编程的,你可能觉得这没有问题,但其实问题是相当严重的,因为此时你必须掌握如何操作硬件的所有具体细节,比如如何具体操作硬盘(现在你得把硬盘拆开,然后你能看见的所有的东西,你都得研究明白,因为你编程时要用到它),这就严重影响了开发的效率,操作系统的出现就是运行于硬件之上,来控制硬件的,我们开发时,只需要调用操作系统为我们提供的简单而优雅的接口就可以了

    所以一套完整的计算机系统分为:计算机硬件,操作系统,应用软件,如下图。因而我们的python编程之路分为计算机硬件基础,操作系统基础,和python编程三部分

    计算机硬件介绍

    计算机硬件有五大部分:(计算机是人的奴隶,可以将其当作一个人去看,请思考下述组件等同于人的哪些器官)

    控制器

    Cpu由两部分组成=控制器+运算器

     

    计算机的指挥系统。控制器通过地址访问存储器,从存储器中取出指令,经译码器分析后,根据指令分析结果产生相应的操作控制信号作用于其他部件,使得各部件在控制器控制下有条不紊地协调工作。

    运算器

    实现算术运算和逻辑运算的部件。

    存储器

    分类

    缺点

    优点

    是计算机用来存放所有数据和程序的记忆部件。它的基本功能是按指定的地址存(写)入或者取(读)出信息。 计算机中的存储器可分成两大类:一类是内存储器,简称内存或主存;另一类是外存储器(辅助存储器),简称外存或辅存。

    存储器由若干个存储单元组成,每个存储单元都有一个地址,计算机通过地址对存储单元进行读写。一个存储器所包含的字节数称为存储容量,单位有B、KB、MB、GB、TB等。

    另外还有一种存储只读存储,是存储了简单的系统指令,只可读取不可改写.

    ROM->存储BIOS的指令

    BIOS:BASIC INPUT OUPUT SYSTEM

    内存(内存条)

    断电数据丢失,容量小

    存取速度快

    外存(磁盘磁带)

    存取速度慢

    断电数据也不丢失,可以永久保存数据,容量大

    输入设备

    是向计算机中输入信息(程序、数据、声音、文字、图形、图像等)的设备。常见的输入设备有:键盘、鼠标、图形扫描仪、触摸屏、条形码输入器、光笔等。 外存储器也是一种输入设备。

    输出设备

    主要有显示器、打印机和绘图仪等。外存储器也当作一种输出设备。

    CPU、内存(主存储器)以及其他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

    现代计算机的结构更复杂,包括多重总线,我们将在后面的小节介绍,此时暂且让我们以下图为例来介绍各个部件 

    cpu是人的大脑,负责控制全身和运算

    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

    输入设备是耳朵或眼睛或嘴巴,负责接收外部的信息存入内存

    输出设备是你的脸部(表情)或者屁股,负责经过处理后输出的结果

    以上所有的设备都通过总线连接,总线相当于人的神经

    计算机硬件基础

    cpux86-64

    x86 CPU的型号

    64 是指一次性最大可读取量为64位宽,64位指64二进制位(等于8字节)

    cpu具有向下兼容性,即64cpu可以执行32的程序

    处理器

          通常将运算器和控制器合称为中央处理器(Central Processing Unit,CPU)。其中运算器用来主要负责程序运算与逻辑判断,控制器则主要协调各组件和各单元的工作,所以CPU的工作主要在于管理和运算。可以说计算机的大脑就是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。

      既然CPU的重点在于进行运算和判断,那么要被运算与判断的数据是从哪里来的?CPU读取的数据都是从主存储器(内存)来的!主存储器内的数据则是从输入单元所传输进来!而CPU处理完毕的数据也必须先写回主存储器中,最后数据才从主存储器传输到输出单元。

      综合上面所说的,我们会知道其实计算机是由:输入单元、输出单元、CPU(控制单元、算术逻辑单元)与主存储器五大单元构成的。也可以说CPU+输入输出+主存储器构成了电子计算机的三大核心组件,相关性如下图:

           在超大规模集成电路构成的微型计算机中,往往将CPU制成一块具有特定功能的芯片,称为微处理器,芯片里边有编写好的微指令集,我们在主机上的所有操作或者说任何软件的执行最终都要转化成cpu的指令去执行,如输入输出,阅读,视频,上网等这些都要参考CPU是否内置有相关微指令集才行。如果没有那么CPU无法处理这些操作。不同的CPU指令集不同对应的功能也不同,这就好比不同的人脑,对于大多数人类来说,人脑的结构一样,但是大家的智商都有差别。

          那么目前世界上的主流CPU由那些呢?我们笔记本上贴的Intel、AMD是怎么回事呢?下面我们来认识一下:

    1、CPU的分类
      我们已经知道CPU内部是含有微指令集的,我们所使用的的软件都要经过CPU内部的微指令集来完成才行。这些指令集的设计主要又被分为两种设计理念,这就是目前世界上常见到的两种主要的CPU种类:分别是精简指令集(RISC)与复杂指令集(CISC)系统。下面我们就来谈谈这两种不同CPU种类的差异!
    
    1.1、精简指令集
      精简指令集(Reduced Instruction Set Computing,RISC):这种CPU的设计中,微指令集较为精简,每个指令的运行时间都很短,完成的动作也很单纯,指令的执行效能较佳;但是若要做复杂的事情,就要由多个指令来完成。常见的RISC指令集CPU主要例如Sun公司的SPARC系列、IBM公司的Power Architecture(包括PowerPC)系列、与ARM系列等。【注:Sun已经被Oracle收购;】
    
      SPARC架构的计算机常用于学术领域的大型工作站中,包括银行金融体系的主服务器也都有这类的计算机架构;
    
      PowerPC架构的应用,如Sony出产的Play Station 3(PS3)使用的就是该架构的Cell处理器。
    
      ARM是世界上使用范围最广的CPU了,常用的各厂商的手机、PDA、导航系统、网络设备等,几乎都用该架构的CPU。
    
    1.2、复杂指令集
      复杂指令集(Complex Instruction Set Computer,CISC)与RISC不同,在CISC的微指令集中,每个小指令可以执行一些较低阶的硬件操作,指令数目多而且复杂,每条指令的长度并不相同。因此指令执行较为复杂所以每条指令花费的时间较长,但每条个别指令可以处理的工作较为丰富。常见的CISC微指令集CPU主要有AMD、Intel、VIA等的x86架构的CPU。
    
      由于AMD、Intel、VIA所开发出来的x86架构CPU被大量使用于个人计算机(Personal Computer)上面,因此,个人计算机常被称为x86架构的计算机!举个例子,我们在MySQL官网下载MySQL时名字为:
          Windows(x86,32-bit),ZIP Archive
          (mysql-5.7.20-win32.zip)
    
      我们发现名字中有x86,这其实就是告诉我们该软件应用于x86结构的计算机。那么为何称为x86架构呢?这是因为最早的那颗Intel发展出来的CPU代号称为8086,后来依此架构又开发出80285、80386....,因此这种架构的CPU就被称为x86架构了。
    
      在2003年以前由Intel所开发的x86架构CPU由8位升级到16、32位,后来AMD依此架构修改新一代的CPU为64位,为了区别两者的差异,因此64位的个人计算机CPU又被统称为x86_64的架构了。
    
      不同的x86架构的CPU的差别在哪呢?除了CPU的整体结构(如第二层缓存、每次运作可执行的指令数等)之外,主要是在于微指令集的不同。新的x86的CPU大多含有很先进的微指令集,这些微指令集可以加速多媒体程序的运作,也能够加强虚拟化的效能,而且某些微指令集更能够增加能源效率,让CPU耗电量降低,这对于高电费是个不错的消息。 试想一下,如果CPU的指令集都相同,那么OS是不是就不用分32bit和64bit了,各种程序的跨平台是不是就更简单了呢。
    
    2 CPU历史
      计算机的发展主要表现在其核心部件——微处理器【微处理器由一片或少数几片大规模集成电路组成的中央处理器。这些电路执行控制部件和算术逻辑部件的功能。微处理器能完成取指令、执行指令,以及与外界存储器和逻辑部件交换信息等操作,是微型计算机的运算控制部分。它可与存储器和外围电路芯片组成微型计算机。】的发展上,每当一款新型的微处理器出现时,就会带动计算机系统的其他部件的相应发展,如计算机体系结构的进一步优化,存储器存取容量的不断增大、存取速度的不断提高,外围设备的不断改进以及新设备的不断出现等。根据微处理器的字长和功能,可将其发展划分为以下几个阶段。
    
    第1阶段(1971——1973年)是4位和8位低档微处理器时代,通常称为第1代。
    第2阶段(1974——1977年)是8位中高档微处理器时代,通常称为第2代。
    第3阶段(1978——1984年)是16位微处理器时代,通常称为第3代。
    第4阶段(1985——1992年)是32位微处理器时代,又称为第4代。
    第5阶段(1993-2005年)是奔腾(pentium)系列微处理器时代,通常称为第5代。
    第6阶段(2005年至今)是酷睿(core)系列微处理器时代,通常称为第6代。“酷睿”是一款领先节能的新型微架构,设计的出发点是提供卓然出众的性能和能效,提高每瓦特性能,也就是所谓的能效比。
    
      总结:CPU按照指令集可以分为精简指令集CPU和复杂指令集CPU两种,区别在于前者的指令集精简,每个指令的运行时间都很短,完成的动作也很单纯,指令的执行效能较佳;但是若要做复杂的事情,就要由多个指令来完成。后者的指令集每个小指令可以执行一些较低阶的硬件操作,指令数目多而且复杂,每条指令的长度并不相同。因为指令执行较为复杂所以每条指令花费的时间较长,但每条个别指令可以处理的工作较为丰富。
    
      根据位数又可分为32bit和64bit(指的是CPU一次执行指令的数据带宽),这个具体后面了解。CPU往往又可细分为运算器和控制器两部分,下面我们再来叙说一下这两部分。
    2.1、运算器
      运算器是对信息进行处理和运算的部件。经常进行的运算是算术运算和逻辑运算,所以运算器又可称为算术逻辑运算部件(Arithmetic and Logical,ALU)。
    
      运算器的核心是加法器。运算器中还有若干个通用寄存器或累加寄存器,用来暂存操作数并存放运算结果。寄存器的存取速度比存储器的存放速度快很多。关于寄存器,我们在后面介绍CPU的时候再认识。
    
    2.2 控制器
      控制器是整个计算机的指挥中心,它的主要功能是按照人们预先确定的操作步骤,控制整个计算机的各部件有条不紊的自动工作。
    
      控制器从主存中逐条地读取出指令进行分析,根据指令的不同来安排操作顺序,向各部件发出相应的操作信号,控制它们执行指令所规定的任务。
    
      控制器中包括一些专用的寄存器。

    多线程和多核芯片

    moore定律指出,芯片中的晶体管数量每18个月翻一倍,随着晶体管数量的增多,更强大的功能称为了可能,如

    I.第一步增强:在cpu芯片中加入更大的缓存,一级缓存L1,用和cpu相同的材质制成,cpu访问它没有时延

    II.第二步增强:一个cpu中的处理逻辑增多,intel公司首次提出,称为多线程(multithreading)或超线程(hyperthreading),对用户来说一个有两个线程的cpu就相当于两个cpu,我们后面要学习的进程和线程的知识就起源于这里,进程是资源单位而线程才是cpu的执行单位。

    多线程运行cpu保持两个不同的线程状态,可以在纳秒级的时间内来回切换,速度快到你看到的结果是并发的,伪并行的,然而多线程不提供真正的并行处理,一个cpu同一时刻只能处理一个进程(一个进程中至少一个线程)

    III.第三步增强:除了多线程,还出现了傲寒2个或者4个完整处理器的cpu芯片,如下图。要使用这类多核芯片肯定需要有多处理操作系统

    存储器

    计算机中第二重要的就是存储了,所有人都意淫着存储:速度快(这样cpu的等待存储器的延迟就降低了)+容量大+价钱便宜。然后同时兼备三者是不可能的,所以有了如下的不同的处理方式

    寄存器>高速缓存>内存>磁盘>磁条 运行速度越快的造价越高,寄存器在CPU内为最快内存方式案例如双核

    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

      寄存器即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。

      高速缓存即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易大。

      缓存在计算机科学的许多领域中起着重要的作用,并不仅仅只是RAM(随机存取存储器)的缓存行。只要存在大量的资源可以划分为小的部分,那么这些资源中的某些部分肯定会比其他部分更频发地得到使用,此时用缓存可以带来性能上的提升。一个典型的例子就是操作系统一直在使用缓存,比如,多数操作系统在内存中保留频繁使用的文件(的一部分),以避免从磁盘中重复地调用这些文件,类似的/root/a/b/c/d/e/f/a.txt的长路径名转换成该文件所在的磁盘地址的结果然后放入缓存,可以避免重复寻找地址,还有一个web页面的url地址转换为网络地址(IP)地址后,这个转换结果也可以缓存起来供将来使用。

      缓存是一个好方法,在现代cpu中设计了两个缓存,再看4.1中的两种cpu设计图。第一级缓存称为L1总是在CPU中,通常用来将已经解码的指令调入cpu的执行引擎,对那些频繁使用的数据自,多少芯片还会按照第二L1缓存 。。。另外往往设计有二级缓存L2,用来存放近来经常使用的内存字。L1与L2的差别在于对cpu对L1的访问无时间延迟,而对L2的访问则有1-2个时钟周期(即1-2ns)的延迟。

    内存:

    再往下一层是主存,此乃存储器系统的主力,主存通常称为随机访问存储RAM,就是我们通常所说的内存,容量一直在不断攀升,所有不能再高速缓存中找到的,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
     
    寻找到数据的总时间=平均寻道(5ms)+平均延迟时间(7200转每分钟的磁盘,120转每秒,磁盘半圈值等于4ms)
     
      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)

    输入输出设备

    1、输入设备
      输入设备的任务是把人们编好的程序和原始数据送到计算机中去,并且将他们转换成计算机内存所能识别和接受的信息方式。
    
      安输入信息的形态可分为字符(包括汉字)输入、图形输入、图像输入及语言输入等。目前,常见的输入设备有:键盘、鼠标、扫描仪等。辅助存储器(磁盘、磁带)也可以看作输入设备。另外,自动控制和检测系统中使用的模数(A/D)转换装置也是一种输入设备。
    
    2、输出设备
      输出设备的任务是将计算机的处理结果以人或其他设备所能接受的形式送出计算机。
    
      目前最常用的输出设备是打印机和显示器。辅助存储器也可以看做输出设备。另外,数模(D/A)转换装置也是一种输出设备。

    总线

    四小节中的结构在小型计算机中沿用了多年,并也用在早期的IBM PC中。但是随着处理器和存储器速度越来越快,单总线很难处理总线的交通流量了,于是出现了下图的多总线模式,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

    主板图解:

    电源(Power)==心脏:所有的组件要能运作,得要有足够的电力供给才行。这就好像心脏一样,如果心脏不跳动了,人就嗝屁了,电脑也是如果没有电源,那也就是一堆垃圾,什么作用都没有。

    北桥连接的都是速度快的主要部分(二级急速缓存,CPU,内存),南桥连接的其他端口接口以及部件

    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(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

    存储单位

    一个二进制位称为1bit

    8bit=1Bytes 称为一个字节

    1024Bytes = 1KB

    1024KB=1MB

    1024MB=1GB

    1024GB=1TB

    1024TB=1PB

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