計算機基礎介紹

時間 2019-11-25

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1 .應用程序與操做系統與硬件的關係

操做系統是管理計算機硬件與軟件資源的計算機程序，同時也是計算機系統的內核與基石。操做系統須要處理如管理與配置內存、決定系統資源供需的優先次序、控制輸入與輸出設備、操做網絡與管理文件系統等基本事務。應用程式是電腦軟體的主要分類之一，是指爲針對使用者的某種應用目的所撰寫的軟體。

應用程式一般又被分爲兩部分：圖形使用者介面（GUI）和引擎（Engine）。三者關係也能夠用這張Linux圖來解釋

2.CPU與內存與磁盤的關係

CUP負責運算、內存負責臨時存儲、硬盤負責永久存儲。三者關係爲硬盤傳輸到內存再到CPU處理。由於CPU的運算速度大於內存大於硬盤。輸入設備負責接收外部信息傳給CPU，輸出設備負責通過處理後輸出結果。

3.cpu與寄存器，內核態與用戶態及如何切換

寄存器是中央處理器內的其中組成部份。寄存器是有限存貯容量的高速存貯部件，它們可用來暫存指令、數據和位址。CPU內部都有一些用來保存關鍵變量和臨時數據即寄存器。

用戶態切換到內核態的3種方式

a. 系統調用

這是用戶態進程主動要求切換到內核態的一種方式，用戶態進程經過系統調用申請使用操做系統提供的服務程序完成工做，好比前例中fork()實際上就是執行了一個建立新進程的系統調用。而系統調用的機制其核心仍是使用了操做系統爲用戶特別開放的一箇中斷來實現，例如Linux的int 80h中斷。

b. 異常

當CPU在執行運行在用戶態下的程序時，發生了某些事先不可知的異常，這時會觸發由當前運行進程切換處處理此異常的內核相關程序中，也就轉到了內核態，好比缺頁異常。

c. 外圍設備的中斷

當外圍設備完成用戶請求的操做後，會向CPU發出相應的中斷信號，這時CPU會暫停執行下一條即將要執行的指令轉而去執行與中斷信號對應的處理程序，若是先前執行的指令是用戶態下的程序，那麼這個轉換的過程天然也就發生了由用戶態到內核態的切換。好比硬盤讀寫操做完成，系統會切換到硬盤讀寫的中斷處理程序中執行後續操做等。

這3種方式是系統在運行時由用戶態轉到內核態的最主要方式，其中系統調用能夠認爲是用戶進程主動發起的，異常和外圍設備中斷則是被動的。

內核態能夠隨意進入用戶態。

4 .存儲器系列，L1緩存，L2緩存，內存（RAM），EEPROM和閃存，CMOS與BIOS電池

寄存器即L1緩存，L1在CPU內部，運算速度和CPU同樣快，也和CPU爲材質，在32位中爲32*32，64位中爲64*64

高速緩存即L2緩存，CPU高速緩存是用於減小處理器訪問內存所需平均時間的部件。在金字塔式存儲體系中它位於自頂向下的第二層，僅次於CPU寄存器。其容量遠小於內存，但速度卻能夠接近處理器的頻率。當你須要一個存儲字而存儲字又正好在L2緩存中，那麼則稱之爲高速緩存命中，高速緩存命中能夠節省時間，不用經過總線發送請求到內存中。高速緩存存在命中率，有方法能夠提升命中，我還沒看懂。高速緩存爲命中則必須訪問內存，這須要花費大量的時間。因爲價格昂貴，因此內存有限。

內存（RAM）主存-存儲器系統的主力，一般被稱爲隨機訪問存儲RAM，在高速緩存找不到的均可以在內存中找到，缺點是易失性存儲，斷電後數據會所有消失。

EEPROM-全稱電子抹除式可複寫只讀存儲器（英語：Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory），是一種能夠經過電子方式屢次複寫的半導體存儲設備。EEPROM取代了EPROM的地位，不用紫外線用特定的電壓便可抹除芯片上的信息，以便寫入新的數據。如今現在EEPROM一般再也不須要額外的VPP電壓，且寫入時間也有縮短。因爲其優秀的性能，以及在線操做的便利，被普遍用於須要常常擦除的BIOS芯片以及閃存芯片並逐步替代部分有斷電保留須要的RAM芯片，甚至替換部分的硬盤功能。是21世紀發展最快最經常使用的兩種存儲技術。（屬於非易失性）

閃存-是一種電子式可清除程序化只讀存儲器的形式，容許在操做中被屢次擦或寫的存儲器。這種科技主要用於通常性數據存儲，以及在電腦與其餘數字產品間交換傳輸數據，如儲存卡與U盤。閃存是一種特殊的、以宏塊抹寫的EEPROM。閃存成本比EEPROM低，也所以成爲被普遍採納的技術。閃存是非易失性的存儲器。這表示單就保存數據而言，它是不須要消耗電力的。與硬盤相比，閃存也有更佳的動態抗震性。這些特性正是閃存被移動設備普遍採用的緣由。閃存還有一項特性：當它被製成儲存卡時很是可靠──即便浸在水中也足以抵抗高壓與極端的溫度。閃存的寫入速度每每明顯慢於讀取速度。缺點在於閃存使用次數過多易磨損。

CMOS-CMOS存儲器被定義爲易失性的，其易失性在於電池的壽命，電池沒電了數據也會一塊兒消失。CMOS存儲器被用於存儲當前時間與日期，由於用電池驅動因此計算機在關機的時候依然能計算時間與日期。其還能夠保存配置的參數。

BIOS電池-一般被用於主板電池，也具備使用壽命。電腦中的BIOS電池的做用是提供電腦關機後給記錄BIOS信息的做用，若是它沒有電了，會致使電腦的一些基礎信息不能被保存。

五、磁盤結構，平均尋道時間，平均延遲時間，虛擬內存與MMU

磁盤的結構能夠分爲如下幾種：

磁頭（head）：對磁盤的數據進行讀寫

磁道（track）：當磁盤旋轉時，磁頭若保持在一個位置上，則每一個磁頭都會在磁盤表面劃出一個圓形軌跡，這些圓形軌跡就叫作磁道。磁盤上的磁道是一組記錄密度不一樣的同心圓

扇區（sector）：磁盤上的每一個磁道被等分爲若干個弧段，這些弧段即是硬盤的扇區。硬盤的第一個扇區，叫作引導扇區。一個扇區的大小爲512個字節。

柱面（cylinder）：在有多個盤片構成的盤組中，由不一樣盤片的面，但處於同一半徑圓的多個磁道組成的一個圓柱面。

平均尋道時間：平均尋道時間，它是瞭解硬盤性能相當重要的參數之一。它是指硬盤在接收到系統指令後，磁頭從開始移動到移動至數據所在的磁道所花費時間的平均值，它必定程度上體現硬盤讀取數據的能力，是影響硬盤內部數據傳輸率的重要參數，單位爲毫秒（ms）。不一樣品牌、不一樣型號的產品其平均尋道時間也不同，但這個時間越低，則產品越好。

平均延遲時間：首先，讀寫頭沿徑向移動，移到要讀取的扇區所在磁道的上方，這段時間稱爲尋道時間（seek time）。讀寫頭起始位置與目標位置之間的距離不一樣，尋道時間也不一樣，通常爲2－－30毫秒，平均約爲10毫秒。機械臂到達正確的磁道以後還必須等待旋轉到數據所在的扇區下，這段時間成爲延遲時間。

虛擬內存：虛擬內存不僅是「用磁盤空間來擴展物理內存」的意思——這只是擴充內存級別以使其包含硬盤驅動器而已。把內存擴展到磁盤只是使用虛擬內存技術的一個結果，它的做用也能夠經過覆蓋或者把處於不活動狀態的程序以及它們的數據所有交換到磁盤上等方式來實現。對虛擬內存的定義是基於對地址空間的重定義的，即把地址空間定義爲「連續的虛擬內存地址」，以藉此「欺騙」程序，使它們覺得本身正在使用一大塊的「連續」地址。許多計算機支持虛擬內存機制，該機制使計算機能夠運行大於物理內存的程序，方法是將正在使用的程序放入內存取執行，而暫時不須要執行的程序放到磁盤的某塊地方，這塊地方成爲虛擬內存，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)。從一個程序切換到另一個程序，成爲上下文切換(context switch),緩存和MMU的出現提高了系統的性能，尤爲是上下文切換。PS：這一部分我理解的不太好但老師總結的很容易理解，直接複製了，很差意思。

MMU：內存管理單元（英語：memory management unit，縮寫爲MMU），它是一種負責處理中央處理器（CPU）的內存訪問請求的計算機硬件。它的功能包括虛擬地址到物理地址的轉換（即虛擬內存管理）、內存保護、中央處理器高速緩存的控制，在較爲簡單的計算機體系結構中，負責總線的仲裁以及存儲體切換。

5. 磁帶：計算機帶做爲數字信息的存貯具備容量大、價格低的優勢。主要大量用於計算機的外存貯器。現在僅在專業設備上使用。可攜帶。

6.設備驅動與控制器（I/O）

設備驅動：驅動程序通常指的是設備驅動程序（Device Driver），是一種可使計算機和設備通訊的特殊程序。至關於硬件的接口，操做系統只有經過這個接口，才能控制硬件設備的工做，因而有了控制器提供設備驅動接口給操做系統。必須把設備驅動程序安裝到操做系統中。假如某設備的驅動程序未能正確安裝，便不能正常工做。

所以，驅動程序被比做「硬件的靈魂」、「硬件的主宰」、和「硬件和系統之間的橋樑」等。

控制器：設備控制器是計算機中的一個實體，其主要職責是控制一個或多個I/O設備，以實現I/O設備和計算機之間的數據交換。它是CPU與I/O設備之間的接口，它接收從CPU發來的命令，並去控制I/O設備工做，以使處理機從繁雜的設備控制事務中解脫出來。

7.總線與南橋和北橋

北橋即PCI橋：鏈接高速設備

南橋即ISA橋：鏈接慢速設備

總線：總線由早年的單總線發展到如今的多總線，處理I/0和CPU到存儲器的更快。

8.操做系統的啓動流程

1.讀取BIOS

2.設備自檢

3.啓動順序

4.主引導記錄

5.硬盤啓動