python之路 ---計算機硬件基礎

　　計算機（computer）俗稱電腦，是現代一種用於高速計算的電子計算機器，能夠進行數值計算，又能夠進行邏輯計算，還具備存儲記憶功能。是可以按照程序運行，自動、高速處理海量數據的現代化智能電子設備。一個完整的計算機由硬件和操做系統組成。若是沒有操做系統的計算機，能夠稱之爲裸機。

2.計算機的組成：

　　硬件部分：計算機硬件主要由cpu，輸入設備，輸出設備，存儲器和系統總線組成。cpu就像人類的大腦同樣，負責計算，處理事件，系統總線則是人的血管和神經同樣，控制的輸入，輸出和存儲設備（控制總線），將養分物質傳輸到身體各處（數據傳輸總線）。輸入，輸出設備則負責計算機與外界作交互，進行數據的輸入和輸出，圖形的顯示等做用。而存儲設備則負責存儲內容。

　　軟件部分:計算機的軟件部分主要分爲操做系統和應用軟件。操做系統的出現，將計算機複雜的硬件結構進行了包裝，給人們提供了一個簡單，方便，優美的操做感覺和視圖界面。而應用軟件的出現則是爲了知足人們各類特定的需求，如暴風影音，遊戲等。

3.硬件部分

　　　1.CPU：cpu的組成以下圖所示，工做過程能夠分爲取指---解碼--執行，這三個部分，分別再指令寄存器，指令譯碼器和ALU這三個地方完成。由於從內存讀取數據的時間比cpu執行命令的時間要慢的多，因此計算機在內部有部分寄存器（和cpu同材質），寄存器主要分爲如下幾種類型：

• 通用寄存器:用來保存變量和臨時結果

• 　　　程序計數器:用來保存下一個要執行的指令的內存地址。

　　　程序狀態字寄存器（PSW）:用來標記區分訪問狀態（用戶態，內核態），cpu優先級等內容。

• 　　　堆棧指針寄存器：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。堆棧的特色是先進後出。

　　　　

　　

 補充說明:

　　內核態：爲了保護硬件系統底層的安全和穩定性，只容許內核態進行操做硬件。通常操做系統處於內核態，而應用軟件處於用戶態

　　用戶態：只能操做cpu指令集的一個子集，沒法操做底層硬件內容，若是須要操做底層硬件，須要將用戶態轉換爲內核態。

　　多線程:線程是cpu執行的基本單位，線程之間內存的共享的。多線程cpu能夠保持兩個不一樣狀態的線程（休眠狀態和運行狀態），cpu來回切換這些線程，速度十分快，以至於讓人們認爲是併發處理的。cpu同一個時間只能處理一個線程。

　　進程：進程是最小的資源單位，進程間內存是不共享的。一個進程最少要有一個線程。

　　多核：增長了數個完整的cpu，這樣就能夠同時處理多個線程。每一個cpu有個跟cpu材質同樣的緩存區，稱爲一級緩存（L1），有個二級緩存（L2）連接着這幾個cpu（inter架構）。

　　

　　2.存儲器

　　     以下圖，緩存的級別由上到下一次遞增，寄存器爲一級緩存，高速緩存爲二級緩存，以此類推，緩存速度越快，容量就越小，造價就越昂貴。若是運行一個程序，所須要的內容已經在高速緩存中，即稱爲高速緩存命中，若是高速緩存未命中，則須要去內存讀取數據，速度會慢不少。

• 　內存RAM爲易失性存儲，斷電後數據所有消失。

• 　rom（Read Only Memory）爲非易失性存儲。

• 　flash(閃存)：非易失性存儲，固態硬盤，u盤都是有閃存進行存儲。

• 　cmos:易失性存儲，保存當前時間和日誌，還有系統的一些參數。

 　　

•  磁盤：磁盤由多個碟片，磁柱，磁頭組成。每一個磁盤又以扇區爲單位進行劃分。一個扇區爲512B。最小的塊單元由8個扇區組成，即4KB。

  　　磁盤讀取數據會有必定延時，主要非爲:

  　　1.平均尋道延時：即找到所需數據所在的扇扇道

  　　2.平均延時時間：在扇道上找到正確的扇區所須要的時間

  　　因此一塊磁盤轉速約快，他的延時時間就越短，讀取速度就越快。

  　　咱們還會劃分一小部分磁盤做爲內存來使用，防止運行軟件過多，所需內存超過實際內存大小，而形成內存溢出，服務崩潰。虛擬內存雖然運行速度較慢，可是能夠防止內存溢出的狀況發生，保證服務的穩定。

• 磁帶：讀取速度最慢，可是容易打，移動性高，雖然都用來作備份。

 　　　　

 　　I/O設備（input/output）

　　　　I/O 通常分爲設備控制器（須要安裝驅動軟件）和設備自己。

　　　　設備控制器的做用是提供一個標準的接口來接入設備，驅動軟件則是提供給系統操控設備的方法。各個設備控制器由I/O總線連接着。

　　　　I/O總線分爲北橋和南橋，北橋鏈接cpu,內存，二級緩存，南橋鏈接硬盤，鍵盤，打印機等運行速度較慢的設備。

 4.操做系統

　　

　　　操做系統的做用主要由兩個：

　　1.給用戶提供一個簡單，明瞭的硬件接口（工做在用戶態），程序開發人員不須要再去了解如何去控制硬件，而是調用相應的硬件接口就可使用。

　　2.讓線程的進程變得有序（工做在內核態）。如打印機同時打印a，b,c，若是是無序競爭，那麼打印出來的內容會是a一行，b一行，這樣混亂的內容。操做系統會使用鎖 這個方法讓競爭變得有序，若是a文件正常使用打印機，則會將打印線程鎖住，只給a只有，那麼b和c只有等a打印完以後纔會使用打印機。

　　操做系統與應用軟件的區別：　

     1.主要區別是：應用軟件開發週期短，可修改，操做系統由內核保護着，不能被修改。

    2.操做系統是一個大型（源碼數量大）、複雜（提供複雜功能）、長壽（不會輕易被棄用）的軟件

　　

　　多路複用（多道技術）：

　　1.時間上的複用:當一個資源在時間上覆用時，不一樣的程序或用戶輪流使用它。例如：cpu的 上下文切換：一個內核可處理多個進程， 在只有一顆 CPU 的狀況下， 內核必須調度和平衡這些進程和線程。 每一個線程在處理器上都擁有一個時間分配單元， 當一個線程超過本身的時間單元或被更高優先級的程序搶佔時， 此線程及被傳回隊列而此時更高優先級的程序將在處理器上執行。

　　2.空間上的複用(須要硬件上的支持，將內存在硬件層面上進行分區):多個程序同時進入不一樣的內存區域。且由操做系統控制，這比一個程序獨佔內存一個一個排隊進入內存效率要高的多。 硬件層面的分割保證了安全性：應用程序不會操做到操做系統的內存區域    穩定性：釋放應用程序內存時，不會同時釋放掉操做系統的內存（即便是操做系統的部份內存），這樣能夠避免引發操做系統的崩潰。

 

參考博客連接：

　　　　https://www.cnblogs.com/linhaifeng/p/6523843.html

　　　　https://www.cnblogs.com/linhaifeng/p/6295875.html