計算機基礎與編程語言

1，編程語言的做用及與操做系統和硬件的關係

編程語言是一種語言，及它和其餘的語言同樣，都是用來溝通的介質。程序員編程的本質就是讓計算機去工做，而編程語言就是程序員與計算機溝通的介質，因此編程語言的做用就是與計算機進行溝通，經過這種語言讓計算機明白你想讓它乾的事情是什麼。

一套完整的計算機系統分爲：計算機硬件，操做系統，軟件。而操做系統控制着計算機硬件

2，應用程序-》操做系統-》硬件

應用程序也就是一般所說的軟件，程序用編程語言寫程序，最終開發出的結果就是一個軟件，既然是軟件，那就與騰訊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，你確定會問：爲什麼要有操做系統呢？沒錯，遠古時代的程序員確實是在沒有操做系統的環境下，用編程語言之間操做硬件來編程的，你可能以爲這沒有問題，但其實問題是至關嚴重的，由於此時你必須掌握如何操做硬件的全部具體細節，好比如何具體操做硬盤（如今你得把硬盤拆開，而後你能看見的全部的東西，你都得研究明白，由於你編程時要用到它），這就嚴重影響了開發的效率，操做系統的出現就是運行於硬件之上，來控制硬件的，咱們開發時，只須要調用操做系統爲咱們提供的簡單而優雅的接口就能夠了。

3，cpu-》內存-》磁盤

cpu是人的大腦，負責運算

內存是人的記憶，負責臨時存儲

硬盤是人的筆記本，負責永久存儲

4，cpu與寄存器，內核態與用戶態及如何切換

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。

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。

　　請把的系統調用當作一個特別的的過程調用指令就能夠了，該指令具備從用戶態切換到內核態的特別能力。

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

 

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。

6，磁盤結構，平均尋道時間，平均延遲時間，虛擬內存與MMU

磁盤

 

磁盤低速的緣由是由於它一種機械裝置，在磁盤中有一個或多個金屬盤片，它們以5400，7200或10800rpm（RPM =revolutions per minute 每分鐘多少轉 ）的速度旋轉。從邊緣開始有一個機械臂懸在盤面上，這相似於老式黑膠唱片機上的拾音臂。信息卸載磁盤上的一些列的同心圓上，是一連串的2進制位（稱爲bit位），爲了統計方法，8個bit稱爲一個字節bytes，1024bytes=1k，1024k=1M，1024M=1G,因此咱們平時所說的磁盤容量最終指的就是磁盤能寫多少個2進制位。

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

機械手臂從一個柱面隨機移動到相鄰的柱面的時間成爲尋到時間，找到了磁道就覺得着招到了數據所在的那個圈圈，可是還不知道數據具體這個圓圈的具體位置

平均延遲時間

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：

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)

 

PS：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

7，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）。

8，設備驅動與控制器

I/O設備通常包括兩個部分：設備控制器和設備自己。

控制器：是查找主板上的一塊芯片或一組芯片（硬盤，網卡，聲卡等都須要插到一個口上，這個口連的即是控制器），控制器負責控制鏈接的設備，它從操做系統接收命令，好比讀硬盤數據，而後就對硬盤設備發起讀請求來讀出內容。

控制器的功能：一般狀況下對設備的控制是很是複雜和具體的，控制器的任務就是爲操做系統屏蔽這些複雜而具體的工做，提供給操做系統一個簡單而清晰的接口

設備自己：有相對簡單的接口且標準的，這樣你們均可覺得其編寫驅動程序了。要想調用設備，必須根據該接口編寫複雜而具體的程序，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。

9，總線與南橋和北橋

總線是計算機個功能部件之間傳送信息的公共通訊幹線。

北橋即PCI橋：鏈接高速設備

南橋即ISA橋：鏈接慢速設備

10，操做系統的啓動流程

1,Bios引導找到有操做系統的硬盤

2,MBR主引導記錄，從啓動設備上讀取第一個扇區的內容

3,grub選擇內核，而後讀到內存中

4，kernel找到內核代碼

11，應用軟件的啓動流程

雙擊應用程序，由操做系統到硬盤尋找這個程序的內容，而後將它讀到內存中，在由cpu調用，從而啓動應用軟件。