計算機基礎知識

爲什麼學學習計算機基礎

            編程語言，簡單的說就是語言，語言有英語，法語，日語，但凡是語言，都是用開溝通的介質。程序員要讓計算機工做，必須知道計算機能幹什麼，這就是程序員必須學習計算機基礎的緣由。然而光有編程語言和硬件也並不能知足你們的變成需求。程序員利用編程語言寫程序，最終開發出的結果就是一個軟件，好比：騰訊qq，暴風影音，快播等軟件沒有區別了。這些軟件必須運行在操做系統之上。   

             因此一套完整的計算機系統分爲：計算機硬件，操做系統，軟件（程序員開發的就是軟件），以下圖。咱們的python編程之路分爲計算機硬件基礎，操做系統基礎，和Python編程三部分。

 計算機硬件介紹

 

                 從概念上講，一臺簡單的我的計算機能夠抽象爲相似下圖的模型，CPU、內存以及硬盤都由一條系統總線（bus）鏈接起來並經過總線與其餘設備通訊現代計算機的結構更復雜，包括多重總線，咱們將在後面的小節介紹，此時暫且讓咱們如下圖爲例來介紹各個部件

 

 

 

                        理解各部分功能的一個簡單的方法是，把計算機各部分組件往人的身上套，好比：

                                                                                                 1.cpu至關於人的大腦，負責運算  

                                                                                                 2.內存至關於人的記憶，負責臨時存儲

                                                                                                 3.硬盤至關於人的筆記本，負責永久存儲

 4.輸入設備至關於耳朵或眼睛，負責接收外部的信息傳給cpu

5.輸出設備至關於你的表情，負責通過處理後輸出的結果

6.以上全部的設備都經過總線鏈接，總線至關於人的神經

 

                         上課開始，老師講課，學生聽課，老師是程序員，學生是計算機，學生的器官都是計算機各部分組成

 

1.老師經過學生的眼睛和耳朵將本身的知識/指令傳給學生（輸入）

 

                                         2.學生在接收知識/指令後，經過本身的神經，將其放入本身的內存/短時間記憶（總線、內存）

 

                                                                             3.學生的大腦/cpu從短時間記憶裏取出知識/指令，分析知識/指令，而後學習知識/執行指令 （cpu取指、分析、執行）

 

                                                      4.學生的表情會直接反映出本身是否聽懂，這就是輸出，老師瞅一眼就知道學生有沒有學會（輸出）

 

                                                                                   5.學生想要永久將知識保存下來，只能拿出一個筆記本，把剛剛學會的知識都寫到本子上，這個本子就是硬盤（磁盤）

                  

             計算機的大腦就是CPU，它從內存中取指令->解碼->執行，而後再取指->解碼->執行下一條指令，周而復始，直至整個程序被執行完成。

 

每一個cpu都有一套可執行的專門指令集，任何軟件的執行最終都要轉化成cpu的指令去執行。因此Pentium（英特爾第五代x86架構的微處理器）不能執行SPARC（另一種處理器）的程序。這就比如不一樣的人腦，對於大多數人類來講，人腦的結構同樣，因此別人會的東西你也均可以會，但對於愛因斯坦的腦子來講，它會的你確定不會。

 

因訪問內存以獲得指令或數據的時間比cpu執行指令花費的時間要長得多，因此，全部CPU內部都有一些用來保存關鍵變量和臨時數據的寄存器，這樣一般在cpu的指令集中專門提供一些指令，用來將一個字（能夠理解爲數據）從內存調入寄存器，以及將一個字從寄存器存入內存。cpu其餘的指令集能夠把來自寄存器、內存的操做數據組合，或者用二者產生一個結果，好比將兩個字相加並把結果存在寄存器或內存中。

 

    寄存器的分類：

 1.除了用來保存變量和臨時結果的通用寄存器外

 2.多數計算機還有一些對程序員課件的專門寄存器，其中之一即是程序計數器，它保存了將要取出的下一條指令的內存地址。在指令取出後，程序計算器就被更新以便執行後期的指令

 3.另一個寄存器即是堆棧指針，它指向內存中當前棧的頂端。該棧包含已經進入可是尚未退出的每一個過程當中的一個框架。在一個過程的堆棧框架中保存了有關的輸入參數、局部變量以及那些沒有保存在寄存器中的臨時變量

 4.最後 一個很是重要的寄存器就是程序狀態字寄存器(Program Status Word,PSW),這個寄存器包含了條碼位(由比較指令設置)、CPU優先級、模式（用戶態或內核態），以及各類其他控制位。用戶一般讀入整個PSW，可是隻對其中少許的字段寫入。在系統調用和I/O中，PSW很是重要

 寄存器的維護：

 操做系統必須知曉全部的寄存器。在時間多路複用的CPU中，操做系統會常常停止正在運行的某個程序並啓動（或再次啓動）另外一個程序。每次中止一個運行着的程序時，操做系統必須保存全部的寄存器，這樣在稍後該程序被再次運行時，能夠把這些寄存器從新裝入。

 

　　處理器設計的演變

 

1.最開始取值、解碼、執行這三個過程是同時進行的，這意味着任何一個過程完成都須要等待其他兩個過程執行完畢，時間浪費

 

2.後來被設計成了流水線式的設計，即執行指令n時，能夠對指令n+1解碼，而且能夠讀取指令n+2,徹底是一套流水線 

3.超變量cpu，比流水線更加先進，有多個執行單元，能夠同時負責不一樣的事情，好比看片的同時，聽歌，打遊戲。

兩個或更多的指令被同時取出、解碼並裝入一個保持緩衝區中，直至它們都執行完畢。只有有一個執行單元空閒，就檢查保持緩衝區是否還有可處理的指令

這種設計存在一種缺陷，即程序的指令常常不按照順序執行，在多數狀況下，硬件負責保證這種運算結果與順序執行的指令時的結果相同。

內核態與用戶態

多數CPU都有兩種模式，即內核態與用戶態。

　　一般，PSW中有一個二進制位控制這兩種模式。

　　內核態：當cpu在內核態運行時，cpu能夠執行指令集中全部的指令，很明顯，全部的指令中包含了使用硬件的全部功能，（操做系統在內核態下運行，從而能夠訪問整個硬件）

　　用戶態：用戶程序在用戶態下運行，僅僅只能執行cpu整個指令集的一個子集，該子集中不包含操做硬件功能的部分，所以，通常狀況下，在用戶態中有關I/O和內存保護（操做系統佔用的內存是受保護的，不能被別的程序佔用），固然，在用戶態下，將PSW中的模式設置成內核態也是禁止的。

　　內核態與用戶態切換　　

　　用戶態下工做的軟件不能操做硬件，可是咱們的軟件好比暴風影音，必定會有操做硬件的需求，好比從磁盤上讀一個電影文件，那就必須經歷從用戶態切換到內核態的過程，爲此，用戶程序必須使用系統調用（system call），系統調用陷入內核並調用操做系統，TRAP指令把用戶態切換成內核態，並啓用操做系統從而得到服務。

多線程和多核芯片

moore定律指出，芯片中的晶體管數量每18個月翻一倍，隨着晶體管數量的增多，更強大的功能稱爲了可能，如

I.第一步加強：在cpu芯片中加入更大的緩存，一級緩存L1，用和cpu相同的材質製成，cpu訪問它沒有時延

II.第二步加強：一個cpu中的處理邏輯增多，intel公司首次提出，稱爲多線程（multithreading）或超線程（hyperthreading），對用戶來講一個有兩個線程的cpu就至關於兩個cpu，咱們後面要學習的進程和線程的知識就起源於這裏，進程是資源單位而線程纔是cpu的執行單位。

多線程運行cpu保持兩個不一樣的線程狀態，能夠在納秒級的時間內來回切換，速度快到你看到的結果是併發的，僞並行的，然而多線程不提供真正的並行處理，一個cpu同一時刻只能處理一個進程（一個進程中至少一個線程）

III.第三步加強：除了多線程，還出現了傲寒2個或者4個完整處理器的cpu芯片，以下圖。要使用這類多核芯片確定須要有多處理操做系統

存儲器

計算機中第二重要的就是存儲了，全部人都意淫着存儲：速度快（這樣cpu的等待存儲器的延遲就下降了）+容量大+價錢便宜。而後同時兼備三者是不可能的，因此有了以下的不一樣的處理方式

存儲器系統採用如上圖的分層結構，頂層的存儲器速度較高，容量較小，與底層的存儲器相比每位的成本較高，其差異每每是十億數量級的

 

　　寄存器即L1緩存：

用與cpu相同材質製造，與cpu同樣快，於是cpu訪問它無時延，典型容量是：在32位cpu中爲32*32，在64位cpu中爲64*64，在兩種狀況下容量均<1KB。

　　高速緩存即L2緩存：

主要由硬件控制高速緩存的存取，內存中有高速緩存行按照0~64字節爲行0，64~127爲行1。。。最經常使用的高速緩存行放置在cpu內部或者很是接近cpu的高速緩存中。當某個程序須要讀一個存儲字時，高速緩存硬件檢查所須要的高速緩存行是否在高速緩存中。若是是，則稱爲高速緩存命中，緩存知足了請求，就不須要經過總線把訪問請求送往主存(內存)，這畢竟是慢的。高速緩存的命中一般須要兩個時鐘週期。高速緩存爲命中，就必須訪問內存，這須要付出大量的時間代價。因爲高速緩存價格昂貴，因此其大小有限，有些機器具備兩級甚至三級高速緩存，每一級高速緩存比前一級慢可是容易大。

　　緩存在計算機科學的許多領域中起着重要的做用，並不只僅只是RAM（隨機存取存儲器）的緩存行。只要存在大量的資源能夠劃分爲小的部分，那麼這些資源中的某些部分確定會比其餘部分更頻發地獲得使用，此時用緩存能夠帶來性能上的提高。一個典型的例子就是操做系統一直在使用緩存，好比，多數操做系統在內存中保留頻繁使用的文件（的一部分），以免從磁盤中重複地調用這些文件，相似的/root/a/b/c/d/e/f/a.txt的長路徑名轉換成該文件所在的磁盤地址的結果真後放入緩存，能夠避免重複尋找地址，還有一個web頁面的url地址轉換爲網絡地址(IP)地址後，這個轉換結果也能夠緩存起來供未來使用。

　　緩存是一個好方法，在現代cpu中設計了兩個緩存，再看4.1中的兩種cpu設計圖。第一級緩存稱爲L1老是在CPU中，一般用來將已經解碼的指令調入cpu的執行引擎，對那些頻繁使用的數據自，多少芯片還會按照第二L1緩存 。。。另外每每設計有二級緩存L2，用來存放近來常用的內存字。L1與L2的差異在於對cpu對L1的訪問無時間延遲，而對L2的訪問則有1-2個時鐘週期（即1-2ns）的延遲。

內存：

再往下一層是主存，此乃存儲器系統的主力，主存一般稱爲隨機訪問存儲RAM，就是咱們一般所說的內存，容量一直在不斷攀升，全部不能再高速緩存中找到的，都會到主存中找，主存是易失性存儲，斷電後數據所有消失

除了主存RAM以外，許多計算機已經在使用少許的非易失性隨機訪問存儲如ROM（Read Only Memory，ROM），在電源切斷以後，非易失性存儲的內容並不會丟失，ROM只讀存儲器在工廠中就被編程完畢，而後不再能修改。ROM速度快且便宜，在有些計算機中，用於啓動計算機的引導加載模塊就存放在ROM中，另一些I/O卡也採用ROM處理底層設備的控制。

EEPROM（Electrically Erasable PROM，電可擦除可編程ROM）和閃存（flash memory）也是非易失性的，可是與ROM相反，他們能夠擦除和重寫。不太重寫時花費的時間比寫入RAM要多。在便攜式電子設備中中，閃存一般做爲存儲媒介。閃存是數碼相機中的膠捲，是便攜式音譯播放器的磁盤，還應用於固態硬盤。閃存在速度上介於RAM和磁盤之間，但與磁盤不一樣的是，閃存擦除的次數過多，就被磨損了。

 

還有一類存儲器就是CMOS，它是易失性的，許多計算機利用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，因此，即便計算機沒有加電，時間也仍然能夠正確地更新，除此以外CMOS還能夠保存配置的參數，好比，哪個是啓動磁盤等，之因此採用CMOS是由於它耗電很是少，一塊工廠原裝電池每每能使用若干年，可是當電池失效時，相關的配置和時間等都將丟失

磁盤

 

每一個磁頭能夠讀取一段換新區域，稱爲磁道

把一個戈丁手臂位置上因此的磁道合起來，組成一個柱面

每一個磁道劃成若干扇區，扇區典型的值是512字節

數據都存放於一段一段的扇區，即磁道這個圓圈的一小段圓圈，從磁盤讀取一段數據須要經歷尋道時間和延遲時間

平均尋道時間是指當用戶發出指令要尋找一個文件時，磁盤磁頭開始移動到存儲那個文件位置所須要的時間，從指令發出尋址命令到找到目標文件的時間稱爲尋址時間

平均延遲時間當找到文件的時候，須要磁道轉一圈在讀取這個數據這個讀取時間就是平均延遲時間。

虛擬內存與MMU許多計算機都有虛擬內存機制會讓磁盤的某塊地方劃分爲虛擬內存，通常大於內存的1.5倍，讓計算機能運行大於內存的應用程序，會把沒用的應用程序存放到虛擬內存裏面等待處理，爲了保障計算機的運行只能犧牲計算機的運行速度

因此會很卡。在linux中成爲swap，這種機制的核心在於快速地映射內存地址，由cpu中的一個部件負責，成爲存儲器管理單元(Memory Management Unit MMU)。

 磁帶

在價錢相同的狀況下比硬盤擁有更高的存儲容量，雖然速度低於磁盤，可是因其大容量，在地震水災火災時可移動性強等特性，常被用來作備份。（常見於大型數據庫系統中）

 

 總線

四小節中的結構在小型計算機中沿用了多年，並也用在早期的IBM PC中。可是隨着處理器和存儲器速度愈來愈快，單總線很難處理總線的交通流量了，因而出現了下圖的多總線模式，他們處理I/O設備及cpu到存儲器的速度都更快。

北橋即PCI橋：鏈接高速設備

南橋即ISA橋：鏈接啓動計算機

在計算機的主板上有一個基本的輸入輸出程序（Basic  Input Output system)

BIOS就至關於一個小的操做系統，它有底層的I/O軟件，包括讀鍵盤，寫屏幕，進行磁盤I/O,該程序存放於一非易失性閃存RAM中。

操做系統的啓動流程

電腦通電，BIOS系統檢測硬件設備是否正常，讀取cmos存儲上的參數（系統盤 
是哪一個），讀取硬盤上的第一個扇區上的主引導記錄mbr，從mbr上讀取grub程序找到內核，再經過BIOS 
檢測硬件是否存在驅動程序，完成操做系統的啓動。

應用程序的啓動流程

操做系統找到硬盤中的應用軟件，而後CPU取指-解碼-執行軟件，軟件自己要 運行一個文件，經過操做系統控制硬盤，提取文件，這個過程當中，CPU從用戶態切換到內核態，CPU執行 要運行的這個文件的過程當中，從內核態切換到用戶態。