编程语言的作用及与操作系统和硬件的关系
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编程语言的作用
程序员编程的本质就是让计算机去工作，而编程语言就是程序员与计算机沟通的介质。
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编程语言与操作系统和硬件的关系
程序猿用编程语言写程序，最终开发出的就是一个软件。软件必须运行在操作系统之上,而操作系统是运行于硬件之上，来控制硬件的，我们开发时，需要调用操作系统为我们提供控制硬件的接口。
应用程序、操作系统、硬件之间的关系
应用程序的功能执行需要通过操作硬件之间的相互配合才能得以实现，但是应用程序不能直接操作硬件，只能通过调用操作系统，让应用程序的功能通过操作系统来操作相应的硬件才能得以实现其功能。
CPU、内存、磁盘之间的关系
1.CPU即中央处理器， CPU从内存或缓存中取出指令，放入指令寄存器，并对指令译码分解成一系列的微操作，然后发出各种控制命令，执行微操作系列，从而完成一条指令的执行。
2.但是，CPU并不能直接调用存储在硬盘上的系统、程序和数据，必须首先将硬盘的有关内容存储在内存中，这样才能被CPU读取运行。因而，内存(即物理内存，是相对于硬盘这个“外存”而言)作为硬盘和CPU的“中转站”，对电脑运行速度有较大影响。
3.当运行数据超出物理内存容纳限度的时候，部分数据就会自行“溢出”，这时系统就会将硬盘上的部分空间模拟成内存——虚拟内存，并将暂时不运行的程序或不使用的数据存放到这部分空间之中，等待需要的时候方便及时调用。
4.由于内存是带电存储的(一旦断电数据就会消失)，而且容量有限，所以要长时间储存程序或数据就需要使用硬盘(外存储器)。硬盘也会影响系统速度，因为系统从硬盘中读取数据并通过总线存入内存的速度也会影响系统运行的快慢。
cpu与寄存器，内核态与用户态及如何切换
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cpu与寄存器
CPU从内存中取指令->解码->执行，然后再取指->解码->执行下一条指令，周而复始，直至整个程序被执行完成。每个cpu都有一套可执行的专门指令集，任何软件的执行最终都要转化成cpu的指令去执行。
访问内存以得到指令或数据的时间比cpu执行指令花费的时间要长得多，所以，所有CPU内部都有一些用来保存关键变量和临时数据的寄存器，这样通常在cpu的指令集中专门提供一些指令，用来将一个字（可以理解为数据）从内存调入寄存器，以及将一个字从寄存器存入内存。cpu其他的指令集可以把来自寄存器、内存的操作数据组合，或者用两者产生一个结果，比如将两个字相加并把结果存在寄存器或内存中。
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内核态与用户态及如何切换
内核态：当cpu在内核态运行时，cpu可以执行指令集中所有的指令，很明显，所有的指令中包含了使用硬件的所有功能，（操作系统在内核态下运行，从而可以访问整个硬件）
用户态：用户程序在用户态下运行，仅仅只能执行cpu整个指令集的一个子集，该子集中不包含操作硬件功能的部分，因此，一般情况下，在用户态中有关I/O和内存保护（操作系统占用的内存是受保护的，不能被别的程序占用），当然，在用户态下，将PSW中的模式设置成内核态也是禁止的。
内核态与用户态切换
用户态下工作的软件不能操作硬件，但是我们的软件比如暴风影音，一定会有操作硬件的需求，比如从磁盘上读一个电影文件，那就必须经历从用户态切换到内核态的过程，为此，用户程序必须使用系统调用（system call），系统调用陷入内核并调用操作系统，TRAP指令把用户态切换成内核态，并启用操作系统从而获得服务。
存储器
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L1缓存
与cpu相同材质制造，与cpu一样快，因而cpu访问它无时延，典型容量是：在32位cpu中为32*32，在64位cpu中为64*64，在两种情况下容量均<1KB。
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L2缓存
主要由硬件控制高速缓存的存取，内存中有高速缓存行按照0~64字节为行0，64~127为行1。。。最常用的高速缓存行放置在cpu内部或者非常接近cpu的高速缓存中。
L2缓存可以看作L1缓存的缓冲器，因L1缓存制造成本很高因此它的容量有限，L2缓存的作用就是存储那些CPU处理时需要用到、L1缓存又无法存储的数据。
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内存（RAM）
RAM-Ramdom Access Memory（易挥发性随机存取存储器）
优点：高速存取，可读可写，读写时间相等
缺点：计算机关闭电源后其内的信息将不保存
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EEPROM和闪存
EEPROM（Electrically Erasable PROM，电可擦除可编程ROM）和闪存（flash memory）也是非易失性的，但是与ROM相反，他们可以擦除和重写。不过重写时花费的时间比写入RAM要多。在便携式电子设备中中，闪存通常作为存储媒介。应用于数码相机、MP3、MP4、固态硬盘等。闪存在速度上介于RAM和磁盘之间，但与磁盘不同的是，闪存擦除的次数过多，就被磨损了。
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CMOS与BIOS电池
CMOS也是易失性的，许多计算机利用CMOS存储器来保持当前时间和日期。CMOS存储器和递增时间的电路由一小块电池驱动，所以，即使计算机没有加电，时间也仍然可以正确地更新，除此之外CMOS还可以保存配置的参数，比如，哪一个是启动磁盘等，之所以采用CMOS是因为它耗电非常少，一块工厂原装电池往往能使用若干年，但是当电池失效时，相关的配置和时间等都将丢失。
磁盘
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磁盘结构
磁盘低速的原因是因为它一种机械装置，在磁盘中有一个或多个金属盘片，它们以5400，7200或10800rpm（RPM =revolutions per minute 每分钟多少转 ）的速度旋转。磁盘的好坏，取决于它转速的快慢。转速越快，磁盘越好，反之不是。
每个磁头可以读取一段换新区域，称为磁道
把一个戈丁手臂位置上所以的磁道合起来，组成一个柱面（虚线所组成的空心圆柱体）
每个磁道划成若干扇区，扇区典型的值是512字节
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平均寻道时间
机械手臂从一个柱面随机移动到相邻的柱面的时间成为寻到时间，找到了磁道就以为着招到了数据所在的那个圈圈，但是还不知道数据具体这个圆圈的具体位置
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平均延迟时间
机械臂到达正确的磁道之后还必须等待旋转到数据所在的扇区下，这段时间成为延迟时间
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虚拟内存与MMU
磁带
在价钱相同的情况下比硬盘拥有更高的存储容量，虽然速度低于磁盘，但是因其大容量，在地震水灾火灾时可移动性强等特性，常被用来做备份。（常见于大型数据库系统中）
设备驱动与控制器
控制器：是查找主板上的一块芯片或一组芯片（硬盘，网卡，声卡等都需要插到一个口上，这个口连的便是控制器），控制器负责控制连接的设备，它从操作系统接收命令，比如读硬盘数据，然后就对硬盘设备发起读请求来读出内容。
控制器的功能：通常情况下对设备的控制是非常复杂和具体的，控制器的任务就是为操作系统屏蔽这些复杂而具体的工作，提供给操作系统一个简单而清晰的接口
设备本身：有相对简单的接口且标准的，这样大家都可以为其编写驱动程序了。要想调用设备，必须根据该接口编写复杂而具体的程序，于是有了控制器提供设备驱动接口给操作系统。必须把设备驱动程序安装到操作系统中。
总线与南桥和北桥
北桥即PCI桥：连接高速设备
南桥即ISA桥：连接慢速设备
操作系统的启动流程
在计算机的主板上有一个基本的输入输出程序（Basic Input Output system)
BIOS就相当于一个小的操作系统，它有底层的I/O软件，包括读键盘，写屏幕，进行磁盘I/O,该程序存放于一非易失性闪存RAM中。
- 启动流程
1.计算机加电
2.BIOS开始运行，检测硬件：cpu、内存、硬盘等
3.BIOS读取CMOS存储器中的参数，选择启动设备
4.从启动设备上读取第一个扇区的内容（MBR主引导记录512字节，前446为引导信息，后64为分区信息，最后两个为标志位）
5.根据分区信息读入bootloader启动装载模块，启动操作系统
6.然后操作系统询问BIOS，以获得配置信息。对于每种设备，系统会检查其设备驱动程序是否存在，如果没有，系统则会要求用户按照设备驱动程序。一旦有了全部的设备驱动程序，操作系统就将它们调入内核。然后初始有关的表格（如进程表），穿件需要的进程，并在每个终端上启动登录程序或GUI应用程序的启动流程。
应用软件的启动流程
应用软件及程序猿编写的N行代码。
- 启动流程
前提：操作系统运行中。
1.双击桌面软件快捷方式
2.操作系统通过快捷方式定位软件存储位置
3.将软件写入内存，CPU通过判断，利用操作系统去调用相应硬件
4.当软件需调用本地文件时，CPU会由内核态切换为用户态