計算機硬件基礎

 

 

計算機硬件基礎

 前言：

　　Python一種人和計算機溝通的語言也稱爲編程語言，所謂知己知彼 在學習Python以前咱們先了解一下要溝通的對象---計算機是什麼？它的結構、底層工做原理才能寫出更好的編程語言，和它進行更親密得交流、溝通。

計算機是什麼？

一種幫助人類運算、存儲信息的工具。

 

一套完整的計算機系統由硬件、操做系統、應用程序組成；

 

1、硬件介紹

計算機硬件可劃分爲：CPU、內存、存儲設備、輸入設備、輸出設備、總線鏈接組成。抽象比喻到人身上 處理器至關於人類的大腦、內存比如記憶、存儲設備比如人的筆記本（幫助人永久存儲信息）、 輸入設備比如老師講課（向大腦傳入信息）、輸出設備（比如人的表情，喜怒變現於面），鏈接總線（比如人的神經系統將各個組件聯繫起來）分別瞭解一下計算機的各大組件。

 

2、CPU

CPU至關於人類腦負責從內存中取指令->解碼->執行，循環工做着。

 

1.0.CPU模式：

CPU在工做過程當中有2中模式，即內核態與用戶態，PSW（狀態寄存器）中有一個二進制位控制這兩種模式。

a.內核態: CPU能夠訪問內存全部數據, 包括外圍設備, 例如硬盤, 網卡. CPU也能夠將本身從一個程序切換到另外一個程序

b.用戶態: 只能受限的訪問內存, 且不容許訪問外圍設備. 佔用CPU的能力被剝奪, CPU資源能夠被其餘程序獲取

 

1.一、爲何要有用戶態和內核態？

因爲須要限制不一樣的程序之間的訪問能力, 防止他們獲取別的程序的內存數據, 或者獲取外圍設備的數據, 併發送到網絡, CPU劃分出兩個權限等級 -- 用戶態 和 內核態

 

1.二、CPU核心的組件

CPU核心組件包含 運算器、控制器、寄存器

a.運算器

arithmetic unit，計算計中執行各類算術和邏輯運算操做的部件。運算器的基本操做包括加、減、乘、除四則運算，與、或、非、異或等邏輯操做，以及移位、比較和傳b.送等操做，亦稱算術邏輯部件（ALU）。

c.控制器

內存是三維編址/全局編址的數據存放都有特定的位置，控制器負責從內存中讀取數據給運算器

d.寄存器

因爲運算器要對數據進行運算 好比運算 2+6=8但運算器只能運算沒有記憶因此 須要寄存器 存儲要參加運算的數據 2 和 6 。

 

1.三、寄存器的分類：

通用寄存器

保持臨時變量和運算結果

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。

堆棧指針寄存器

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

程序狀態字寄存器（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），以及各類其餘控制位。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很是很是很是很是很是很是重要

 

                                                        

 

 

 

 

 

3、存儲器（ 內存、硬盤.....）

因爲內存有易失性，斷電後不能保持信息，因此計算機必須由存儲器來永久保存數據；

 

2.0、 存儲器的種類

a.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。

 

b.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。

 

c.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。

 

d.磁盤：

 

 

 

扇區： 機械硬盤的轉軸轉動帶動硬盤內的金屬盤片跟隨轉動，機械手臂上下摩擦盤面一個段稱扇區。

 

 

 

 

4、鏈接總線：

鏈接計算機各個組件的主線

3.0鏈接總線分類：

a.北橋:

即PCI橋：鏈接高速設備

b.南橋:

即ISA橋：鏈接慢速設備

 

 

 

 

 

 

5、計算機啓動流程

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。

 

啓動流程以下

1.計算機加電

2.BIOS開始運行，檢測硬件：cpu、內存、硬盤等

3.BIOS讀取CMOS存儲器中的參數，選擇啓動設備

4.從啓動設備上讀取第一個扇區的內容（MBR主引導記錄512字節，前446爲引導信息，後64爲分區信息，最後兩個爲標誌位）

5.根據分區信息讀入bootloader啓動裝載模塊，啓動操做系統

6.而後操做系統詢問BIOS，以得到配置信息。對於每種設備，系統會檢查其設備驅動程序是否存在，若是沒有，系統則會要求用戶按照設備驅動程序。一旦有了所有的設備驅動程序，操做系統就將它們調入內核。而後初始有關的表格（如進程表），穿件須要的進程，並在每一個終端上啓動登陸程序或GUI

 

 

參考：http://www.cnblogs.com/linhaifeng/p/6523843.html