编程语言的作用及与操作系统和硬件的关系
完整计算机系统包括：计算机硬件，操作系统，软件 编程语言是程序员和计算机沟通的介质，操作系统运行于硬件之上，程序通过调用操作系统的接口来对硬件进行操作
应用程序->操作系统->硬件
CPU->内存->磁盘
CPU负责运算，内存是临时存储，硬盘是永久存储
CPU拥有自己的专门指令集，CPU从内存中读取指令->解码->执行
程序文件存储再磁盘上，运行程序需要CPU把程序从磁盘读取到内存上，然后CPU对内存进行操作
CPU与寄存器，内核态与用户态如何切换
受限于内存读写速度，CPU访问内存得到指令或者数据的时间远比CPU执行指令集花费的时间长，所以CPU内部有一些来保存变量和临时数据的寄存器
1. 通用寄存器：保存变量和临时结果
2. 程序计数器：保存要取出的下一条指令的内存地址
3. 堆栈指针：指向内存中当前栈的顶端
4. 程序状态字寄存器(PSW):调位码、cpu优先级、模式（用户态和内核态）
- 内核态：cpu再内核运行的状态，cpu可以执行指令集中的所有指令，操作系统在内核态的状态下可以访问整个硬件
- 用户态：cpu只能执行cpu指令集的一个子集
切换：打开软件时，当有读取文件等对硬件操作时，需要从用户态切换到内核态，程序需要使用系统调用，进入内核态
存储器系列，L1缓存，L2缓存呢，内存(RAM),EEPROM和闪存，COMS与BIOS电池
- L1缓存-寄存器，L2缓存位于L1与内存之间
- RAM：运行内存，掉电数据易丢失
- EEPROM：电可擦写编程ROM
- 闪存：flash momery
- COMS：小块电池驱动，掉电数据丢失
磁盘结构，平均寻道时间，平均延迟时间，虚拟内存与MMU
- 磁道：磁头可读取的一段换新区域
- 柱面：位于同一上下面的磁道做合起来成为一个柱面
- 扇区：硬盘级别最小读写单位，一个扇区512Bytes(操作系统最小读写单位1block=8*512Byts)
数据存放于一段一段的扇区，即磁道圆圈的一小段从磁盘读取数据需要经历寻道时间和延迟时间
- 平均寻道时间：机械手臂从一个柱面移动到相邻的柱面的时间
- 平均延迟时间：机械手臂到达磁道后还需要等待旋转到数据所在的扇区下的时间
- 虚拟内存：正在使用的程序放入内存取执行，而暂时不需要执行的程序放到磁盘的某块地方，这块地方成为虚拟内存
- MMU：存储器管理单元，快速地映射内存地址
磁带
比硬盘便宜，容量大，移动性强
设备驱动与控制器
- 控制器：主板上的一块芯片和一组芯片，控制器负责控制链接的设备(硬盘、网卡等)
- 控制器作用：为操作系统屏蔽复杂的外接设备，为操作系统提供一个简单清晰的接口
- 需要把设备驱动安装到操作系统中，以便操作系统通过控制器对设备进行操作
总线与南桥和北桥
CPU、内存及IO设备通过系统总线来你接起来，并通过总线与其他设备通信
- 北桥：PCI桥，链接PCI接口的高速设备
- 南桥：ISA桥，鼠标显示器等慢速外设
操作系统的启动流程
- 计算机加电
- BIOS开始运行，检测硬件：cpu、内存、硬盘
- BIOS读取CMOS中的参数，选择启动设备
- 从启动设备商读取第一个扇区的内容（MBR引导，512字节，446引导信息+64分区信息+2标志位）
- 根据分区信息读入bootloader启动装载模块，启动操作系统
- 操作系统询问BIOS，检测设备的驱动是否存在并加载。
应用程序的启动流程
- 用户双击快捷方式
- 系统通过快捷方式找到磁盘上的程序文件
- 系统从读取程序到内存
- CPU对内存进行操作
- 程序打开
Python全栈-张伟
2017-05-28