计算机基础（简单了解）

一、为何要学计算机基础

作为一名程序员，我想有必要去了解一下程序是如何控制计算机去工作的，而编程语言（例如python）就是程序员与计算机沟通的介质。

Python是一门编程语言，即通俗一点说就是语言。

我们都知道世界上有很多种语言，比如：汉语，英语，阿拉伯语等等众多的语言。要想用这些语言去和人沟通，如果你想和英国人说话，你必须得会英语吧。而我们的计算机也有它自己的语言，你要想让计算机帮助我们做事情，你就需要和它沟通吧。那你就得懂得计算机语言吧，也就是编程。当然计算机也有很多语言，比如：C，Java，PHP，Python，C#等。所以我们就先从学习基础知识开始。也有人说学习基础理论知识很枯燥，但是，那还是得学。你要把它当成自己的兴趣，一点一点的去投入它，相信你会是很棒的。

　　  程序用编程语言来写程序，最终开发的结果就是一个软件。就像大家都知道的QQ，腾讯视频，酷狗音乐等一系列软件。这些软件要想运行必须得有系统控制它吧。当然，有人会问：为什么要用操作系统呢？当然，很久以前的那些程序员确实是在没有操作环境下，编程语言是操作硬件来编写的。你可能觉得没问题，但是其实问题很严重。如果一直像以前那样会严重影响效率的。操作系统是出现在硬件之上的，是用来控制硬件的。所以，我们开发时只需要调用操作系统为我们提供的简单的接口就可以了

所以一套完整的计算机系统分为：计算机硬件，操作系统，应用软件，如下图。因而我们的python编程之路分为计算机硬件基础，操作系统基础，和python编程三部分，下面我就开始搞起硬件

二、计算机硬件介绍

计算机的组成有五大部分

1、控制器：计算机的指挥系统。控制器通过地址访问存储器，从存储器中取出指令，经译码器分析后，根据指令分析结果产生相应的操作控制信号作用于其他部件，使得各部件在控制器控制下有条不紊地协调工作。

2、运算器：实现算术运算和逻辑运算的部件。

3、存储器：是计算机用来存放所有数据和程序的记忆部件。它的基本功能是按指定的地址存（写）入或者取（读）出信息。 计算机中的存储器可分成两大类：一类是内存储器，简称内存或主存；另一类是外存储器（辅助存储器），简称外存或辅存。 存储器由若干个存储单元组成，每个存储单元都有一个地址，计算机通过地址对存储单元进行读写。一个存储器所包含的字节数称为存储容量，单位有B、KB、MB、GB、TB等。

4、输入设备：是向计算机中输入信息（程序、数据、声音、文字、图形、图像等）的设备。常见的输入设备有：键盘、鼠标、图形扫描仪、触摸屏、条形码输入器、光笔等。 外存储器也是一种输入设备。

5、输出设备：主要有显示器、打印机和绘图仪等。外存储器也当作一种输出设备。

现代计算机的结构更复杂，包括多重总线，我们将在后面的小节介绍，此时暂且让我们以下图为例来介绍各个部件

假设我们把计算机理解为人的大脑，想象一下下面的总结

　　cpu是人的大脑，负责控制全身和运算

　　内存是人的记忆，负责临时存储

　　硬盘是人的笔记本，负责永久存储

　　输入设备是耳朵或眼睛或嘴巴，负责接收外部的信息存入内存

　　输出设备是你的脸部(表情)或者屁股，负责经过处理后输出的结果

　　以上所有的设备都通过总线连接，总线相当于人的神经

三、处理器（cpu：寄存器及内核态与用户态切换）

　　1.计算机的大脑是CPU，它从内存中取指令-▶解码-▶执行，然后在取指令，解码，执行，周而复始，直至整个程序被执行完成。

　　2. 寄存器是一个存储设备，最快的一种存储设备就是寄存器。

　　3.寄存器的分类

　　　　　　①通用寄存器：用来保存变量和临时结果的。

　　　　　　②程序计数器：它保存了将要取出的下一条指令的内存地址。在指令取出后，程序计算器就被更新以便执行后期的指令

　　　　　　③堆栈指针：它指向内存中当前栈的顶端。该栈包含已经进入但是还没有退出的每个过程中的一个框架。在一个过程的堆栈框架中保存了有关的输入参数、局部变量以及那些没有保存在寄存器中的临时变量

　　　　　　④程序状态字寄存器（Program Status Word,简称PSW）：这个寄存器包含了条码位(由比较指令设置)、CPU优先级、模式（用户态或内核态），以及各种其他控制位。用户通常读入整个PSW，但是只对其中少量的字段写入。在系统调用和I/O中，PSW非常重要。

　　  4.内核态与用户态

       多数CPU都有两种模式，即内核态与用户态。  　　　　　　

　　　　①当cpu处于内核状态时，运行的是操作系统，能控制硬件（可以获取所有cpu的指令集）　　　　　

　　　　②当cpu处于用户太状态时，运行的是用户软件，不能控制硬件（可以获取所有cpu的指令集中的一个子集，该子集不包括操作硬件的指令集）

　　　这里有些人可能会含糊什么是内核态，什么是用户态？下面我来解释一下：

　　　　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）所以，归根结底通俗一点的话也就是上面①解释的那样

　　　　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。

　　5.内核态与用户态切换

        用户态下工作的软件是不能之间操作硬件的，但是像我们的一些软件，比如暴风音影啊一类的软件，我们要想从磁盘中读取一个电影文件，那就得从用户态切换成内核态，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。

四、存储器系列，L1缓存，L2缓存，内存（RAM），EEPROM和闪存，CMOS与BIOS电池

 1.  计算机中第二重要的就是存储了，所有人都意淫着存储：速度快（这样cpu的等待存储器的延迟就降低了）+容量大+价钱便宜。然后同时兼备三者是不可能的，所以有了如下的不同的处理方式

由上图可以很清楚的看见寄存器存储是速度非常快的，但是它的容量却很少。下来就是高速缓存了。我就不一一介绍了，我相信大家应该可以看得懂这个图。

　2.寄存器即L1缓存：用与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。

   3.高速缓存即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。当某个程序需要读一个存储字时，高速缓存硬件检查所需要的高速缓存行是否在高速缓存中。

   4.内存：主存通常称为随机访问存储RAM，就是我们通常所说的内存，容量一直在不断攀升，所有不能再高速缓存中找到的，都会到主存中找，主存是易失性存储，断电后数据全部消失

   5.EEPROM（Electrically Erasable PROM，电可擦除可编程ROM）和闪存（flash memory）也是非易失性的。还有一类存储器就是CMOS，它是易失性的，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。

五、磁盘

1.磁盘由磁头，磁道，扇区组成的。

2.磁道：每个磁头可以读取一段换新区域。把一个戈丁手臂位置上所以的磁道合起来，组成一个柱面

3.每个磁道划成若干扇区，扇区典型的值是512字节。

4.数据都存放于一段一段的扇区，即磁道这个圆圈的一小段圆圈，从磁盘读取一段数据需要经历寻道时间和延迟时间，那么什么是寻道时间和延迟时间呢？

    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

    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

六、磁带

1.有些人会想磁带是用来干什么的呢？当然，它也是内存之一，是用来存储东西的，它的存储量是相当大的，而且价钱也便宜。当遇上火灾等紧急情况时，可以用磁带来存储我们的重要文件。常常用来做备份（常见于大型数据库系统中）。但是，它也有缺点，就是运行速度特别慢，效率低。

2.cpu和存储器并不是操作系统唯一需要管理的资源，I/O设备也是非常重要的一环。I/O设备一般包括两个部分：设备控制器和设备本身。

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

七、操作系统的启动流程

1. 计算机通电
2. BIOS系统启动，检测硬件（CPU、内存、硬盘等等）
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. 根据分区信息加载bootloader，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

八、应用程序的启动

　　前提：先启动操作系统

1. 向操作系统提交程序启动文件的路径 
2. 操作系统根据文件路径把硬盘的数据读入内存
3. 操作系统调用cpu来执行内存中刚刚读入的程序代码

　　　

　　参考：http://www.cnblogs.com/linhaifeng/p/6523843.html

　　　　　http://www.cnblogs.com/haiyan123/p/7150407.html