計算機相關理論基礎

1、爲什麼要學習計算機基礎？

　　基礎不牢地動山搖，基礎知識很重要。就像建房子同樣，先要打好地基，再去往上添磚加瓦。  　　

　　世界上有不少種語言，好比：漢語，英語，阿拉伯語等等衆多的語言。要想用這些語言去和人溝通，若是你想和英國人說話，你必須得會英語吧。而計算機也有它本身的語言，要想讓計算機幫助咱們作事情，就須要和它進行溝通和交流，就得懂得計算機語言吧，也就是編程。固然計算機也有不少語言，好比：C，Java，PHP，Python，C#，c++等。因此咱們就先從學習基礎知識開始。每每學習基礎理論知識是一個很枯燥的過程，但仍是得學。要把它當成本身的興趣，一點一點的去投入，相信你會是很棒的。

　　用編程語言來寫程序，最終開發的結果就是一個軟件。就像你們都知道的QQ，騰訊視頻，酷狗音樂等一系列軟件。這些軟件要想運行必須得有系統控制它吧。固然，有人會問：爲何要用操做系統呢？固然，好久之前的那些程序員確實是在沒有操做環境下，編程語言是操做硬件來編寫的。你可能以爲沒問題，可是其實問題很嚴重。若是一直像之前那樣會嚴重影響效率的。操做系統是出如今硬件之上的，是用來控制硬件的。因此，咱們開發時只須要調用操做系統爲咱們提供的簡單的接口就能夠了。

  

　　　如上圖所示，計算機的系統能夠分爲三大塊：硬件，操做系統，應用程序。要想學習軟件知識，我想那些硬件的知識或多或少仍是得了解點的，如今咱們就來談談硬件一類的知識。

2、計算機硬件介紹

　　1. 硬件：爲了運行軟件給它的一些指令。咱們能夠優先從硬件中提取出三個主要的東西，分別是： CPU，內存，硬盤

       CPU：在現實生活中，人腦是用來計算的，在計算機中，用來計算的是什麼呢？固然是CPU了。多數CPU都有兩種模式，即內核態與用戶態。這裏的即內核態與用戶態將會在下面的內容中講到。若是咱們把計算機理解爲人的大腦，咱們能夠總結爲幾句話：

　　# 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
　　# 輸入設備是人的耳朵或眼睛，負責接受外部的信息傳給CPU
　　# 以上全部的設備都經過總線鏈接，總線至關於人的神經    

 

                                                                                            總線示意圖

3、處理器（寄存器及內核態與用戶態切換）

　　1. 計算機的核心是CPU，它從內存中取指令 ---> 解碼 ---> 執行，而後再取指令，解碼，執行，周而復始，直至整個程序被執行完成。

　　2. 寄存器是一個存儲設備，最快的一種存儲設備就是寄存器。

       3. 寄存器的分類

　　# ①通用寄存器：用來保存變量和臨時結果的。

　　# ②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程序狀態字寄存器（Program Status Word,簡稱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很是重要。

　　4. 內核態與用戶態

       多數CPU都有兩種模式，即內核態與用戶態。  　　　　　　

　　　　①當cpu處於內核態時，運行的是操做系統，能控制硬件（能夠獲取全部cpu的指令集）　　　　　

　　　　②當cpu處於用戶態時，運行的是用戶軟件，不能控制硬件（能夠獲取全部cpu的指令集中的一個子集，該子集不包括操做硬件的指令集）

　　有些人可能會含糊什麼是內核態，什麼是用戶態？下面解釋一下：　　

    # 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）
因此，歸根結底也就是上面①解釋的那樣
    # 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。

　　5. 內核態與用戶態切換

       用戶態下工做的軟件是不能之間操做硬件的，可是像咱們的一些軟件，好比暴風音影啊一類的軟件，咱們要想從磁盤中讀取一個電影文件，那就得從用戶態切換成內核態，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。

4、存儲器系列

       1.  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

　　由上圖能夠很清楚的看見寄存器存儲是速度很是快的，可是它的容量卻不多。下來就是高速緩存了。我就不一一介紹了，我相信你們應該能夠看得懂這個圖。

L1緩存:

　　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。

L2緩存:

　　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。

內存(RAM)：

　　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

EEPROM和閃存、CMOS:

　　EEPROM（Electrically Erasable PROM，電可擦除可編程ROM）和閃存（flash memory）也是非易失性的。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。

5、磁盤

    # 1.磁盤由磁頭，磁道，扇區組成的。
    # 2.磁道：每一個磁頭能夠讀取一段換新區域。把一個戈丁手臂位置上因此的磁道合起來，組成一個柱面
    # 3.每一個磁道劃成若干扇區，扇區典型的值是512字節。
    # 4.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，

 

那什麼是尋道時間和延遲時間呢？

    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

 

 

6、磁帶

1.有些人會想磁帶是用來幹什麼的呢？固然，它也是內存之一，是用來存儲東西的，它的存儲量是至關大的，並且價錢也便宜。當趕上火災等緊急狀況時，能夠用磁帶來存儲咱們的重要文件。經常用來作備份（常見於大型數據庫系統中）。可是，它也有缺點，就是運行速度特別慢，效率低。

2.cpu和存儲器並非操做系統惟一須要管理的資源，I/O設備也是很是重要的一環。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。

7、總線

　　北橋即PCI橋：鏈接高速設備

　　南橋即ISA橋：鏈接慢速設備

8、操做系統的啓動流程

　　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

9、應用程序的啓動流程

前提：應用程序是運行於操做系統之上的

流程：

　　1.雙擊快捷方式

　　2.告訴操做系統一個文件路徑

　　3.操做系統從硬盤讀取文件到內存中

　　4.cpu從內存中讀取數據執行

 10、白話計算機硬件

　　主要包括：輸入輸出設備、CPU、硬盤、內存、操做系統、應用程序

　　輸入: 與人做對比,至關於人的眼睛,耳朵

　　輸出: (嘴巴)

　　CPU：中央處理器，處理各類數據（人的大腦）

　　內存：臨時記憶

　　硬盤：永久記憶

　　操做系統：控制計算機的工做流程

　　應用程序：安裝在操做系統上的軟件