你应该知道的那些计算机基础

1. 编程语言的介绍

1.1 什么是语言？

语言（人类交际工具）

语言是人类进行沟通表达的方式和工具 —— 来自百度百科

语言对我们大家来说，应该不是完全陌生的东西，因为基本上在座的都接触过至少两种语言，汉语和英语

汉语： 是我们中国人与中国人交流的语言

英语： 是我们中国人和外国人交流的语言

1.2 什么是编程？

一提到编程大家肯定会联想到一个硬件设备——计算机（电脑）

那么编程自然而然就和电脑有这一定的必要联系，因为我们编程大多数情况下是借助电脑这个工具完成的。那我们来解释一下编程是什么又和计算机有什么关系呢？

编程就是人命令计算机完成某些指定的任务，但我们都知道计算机本质上就是一堆零件组成的，是不会说话的，也听不懂人们说的话，无论是英语还是汉语，那么怎么人怎么命令计算机呢？ 这就引出了关于编程语言的概念，

下面我们来看一下什么是编程语言

1.3 什么是编程语言？

编程语言是人与计算机之间沟通的介质。

那么为何要有编程语言，或者说人为何要与计算机沟通呢？这是因为在编程的世界里，计算机就好比是人的奴隶，人与计算机沟通的目的就是为了奴役计算机，让计算机按照人类的思维逻辑自发地去工作从而把人力解放出来。

做到机器代替人类处理一些无意义并且会大量重复的、繁琐的工作

2. 计算机组成原理

2.1 计算机五大组成部分

2.1.1 控制器

控制器是计算机的指挥系统，用来控制计算机其他组件的运行，相当于人类的大脑

2.1.2 运算器

运算器是计算机的运算功能，用来做算术运算和逻辑运算，相当于人脑。

控制器+运算器=CPU，cpu相当于人的大脑

2.1.3 存储器

存储器是计算机的记忆功能，用来存取数据。

存储器主要分为内存与外存：

• 内存（基于电工作）相当于人的短期记忆。断电数据丢失

• 外存(如磁盘/硬盘),相当于记事的本子，断电数据不会丢失，是用来永久保存数据的

ps：内存的存取速度要远远高于外存

RAM: 内存

ROM: “只读内存”

• 存放计算机厂商写死计算机.上的一段核心程序 =》BIOS

CMOS: 存取速度慢，断电数据丢失，耗电量极低，你电脑断电后开机时间还对，就是他存着计算的时间

硬盘:

• 机械硬盘:磁盘

  磁道:一圈数据，对应着一串二进制(1bit代表一个二进制位)

  8bit比特位= 1Bytes字节

  1024Bytes=1KB

  1 024KB= 1MB

  1024MB=1GB

  1024GB=1TB

  1024TB=1PB

  200G= 200* 1000* 1000B

  扇区 ( 一条弧线 ):

  一个扇区通过为512Bytes

  站在硬盘的解读，一次性读写数据的最小单为为扇区

  操作系统一次性读写的单位是一个block块=》 8扇区的大小=4096字节

• 固态硬盘： 内部组成是闪存芯片，基于电子工作的，所以没有机器设备带来的延迟，相对快一点

I0延迟

7200转/ min
120转/s 
1/ 120转/s=转一圈需要花费8ms
平均寻道时间:机械手臂转到数据所在磁道需要花费的时间，受限于物理工艺水平，目前机械硬盘可以达
到的是5ms
平均延迟时间:转半圈需要花费4ms，受限于硬盘的转速
#I0延迟 = 平均寻道时间 + 平均延迟时间
# 所以我们开发出来的程序竟可能少量与硬盘打交道，所以程序的优化本质就是减少与硬盘之间的io操作
# 所以能从内存取数据就别从硬盘，别傻了吧唧存到文件中再从文件中读数据，自己增加与硬盘打交道

优化程序运行效率的一个核心法则: 能从内存取数据，就不要从硬盘取

io设备 = 设备控制器 + 设备本身 ，在控制器之上的是驱动程序

2.1.4 输入设备

输入设备是计算接收外界输入数据的工具，如键盘、鼠标，相当于人的眼睛或耳朵。

2.1.5 输出设备

输出设备是计算机向外输出数据的工具，如显示器、打印机，相当于人说的话，写出的文章。

2.2 计算机的三大核心硬件

2.2.1 cpu

通常将运算器和控制器合称为中央处理器(Central Processing Unit，CPU)， cpu里边有编写好的微指令集,我们在主机上的所有操作或者说任何软件的执行最终都要转化成cpu的指令去执行 。其中运算器用来主要负责程序运算与逻辑判断，控制器则主要协调各组件和各单元的工作，所以CPU的工作主要在于管理和运算。可以说计算机的大脑就是CPU，它从内存中**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。 

运算器和控制器

常将运算器和控制器合称为中央处理器(Central Processing Unit，CPU)。

其中运算器用来主要负责程序运算与逻辑判断，控制器则主要协调各组件和各单元的工作，所以CPU的工作主要在于管理和运算。可以说计算机的大脑就是CPU

#1、运算器
　　运算器是对信息进行处理和运算的部件。经常进行的运算是算术运算和逻辑运算，所以运算器又可称为算术逻辑运算部件（Arithmetic and Logical，ALU）。

　　运算器的核心是加法器。运算器中还有若干个通用寄存器或累加寄存器，用来暂存操作数并存放运算结果。寄存器的存取速度比存储器的存放速度快很多。

#2 控制器
　　控制器是整个计算机的指挥中心，它的主要功能是按照人们预先确定的操作步骤，控制整个计算机的各部件有条不紊的自动工作。

　　控制器从主存中逐条地读取出指令进行分析，根据指令的不同来安排操作顺序，向各部件发出相应的操作信号，控制它们执行指令所规定的任务。控制器中包括一些专用的寄存器。

CPU读取的数据都是从主存储器（内存）来的！主存储器内的数据则是从输入单元所传输进来！而CPU处理完毕的数据也必须先写回主存储器中，最后数据才从主存储器传输到输出单元。

cpu指令集

我们已经知道CPU内部是含有微指令集的，我们所使用的的软件都要经过CPU内部的微指令集来完成才行。这些指令集的设计主要又被分为两种设计理念，这就是目前世界上常见到的两种主要的CPU种类：分别是精简指令集（RISC）与复杂指令集（CISC）系统。下面我们就来谈谈这两种不同CPU种类的差异！

# 1.1、精简指令集(了解)
　　精简指令集（Reduced Instruction Set Computing，RISC）：这种CPU的设计中，微指令集较为精简，每个指令的运行时间都很短，完成的动作也很单纯，指令的执行效能较佳；但是若要做复杂的事情，就要由多个指令来完成。常见的RISC指令集CPU主要例如Sun公司的SPARC系列、IBM公司的Power Architecture（包括PowerPC）系列、与ARM系列等。【注：Sun已经被Oracle收购；】

　　SPARC架构的计算机常用于学术领域的大型工作站中，包括银行金融体系的主服务器也都有这类的计算机架构；

　　PowerPC架构的应用，如Sony出产的Play Station 3（PS3）使用的就是该架构的Cell处理器。

　　ARM是世界上使用范围最广的CPU了，常用的各厂商的手机、PDA、导航系统、网络设备等，几乎都用该架构的CPU。

# 1.2、复杂指令集
　　复杂指令集（Complex Instruction Set Computer，CISC）与RISC不同，在CISC的微指令集中，每个小指令可以执行一些较低阶的硬件操作，指令数目多而且复杂，每条指令的长度并不相同。因此指令执行较为复杂所以每条指令花费的时间较长，但每条个别指令可以处理的工作较为丰富。常见的CISC微指令集CPU主要有AMD、Intel、VIA等的x86架构的CPU。
    
# 总结：
    CPU按照指令集可以分为精简指令集CPU和复杂指令集CPU两种，区别在于前者的指令集精简，每个指令的运行时间都很短，完成的动作也很单纯，指令的执行效能较佳；但是若要做复杂的事情，就要由多个指令来完成。后者的指令集每个小指令可以执行一些较低阶的硬件操作，指令数目多而且复杂，每条指令的长度并不相同。因为指令执行较为复杂所以每条指令花费的时间较长，但每条个别指令可以处理的工作较为丰富。

cpu的分类与指令集（了解即可）

x86-64介绍

#1、x86架构
    x86是针对cpu的型号或者说架构的一种统称，详细地讲，最早的那颗Intel发明出来的CPU代号称为8086，后来在8086的基础上又开发出了80285、80386....，因此这种架构的CPU就被统称为x86架构了。
        
    由于AMD、Intel、VIA所开发出来的x86架构CPU被大量使用于个人计算机上面，因此，个人计算机常被称为x86架构的计算机！
    程序员开发出的软件最终都要翻译成cpu的指令集才能运行，因此软件的版本必须与cpu的架构契合，举个例子，我们在MySQL官网下载软件MySQL时名字为：
      Windows(x86,32-bit),ZIP Archive
      (mysql-5.7.20-win32.zip)   
    我们发现名字中有x86，这其实就是告诉我们：该软件应该运行在x86架构的计算机上。
#2、64位  
    cpu的位数指的是cpu一次性能从内存中取出多少位二进制指令，64bit指的是一次性能从内存中取出64位二进制指令。
    在2003年以前由Intel所开发的x86架构CPU由8位升级到16、32位，后来AMD依此架构修改新一代的CPU为64位，到现在，个人计算机CPU通常都是x86_64的架构。
#cpu具有向下兼容性
    指的是64位的cpu既可以运行64位的软件，也可以运行32位的软件，而32位的cpu只能运行32位的软件。这其实很好理解，如果把cpu的位数当成是车道的宽，而内存中软件的指令当做是待通行的车辆，宽64的车道每次肯定既可以通行64辆车，也可以通信32辆车，而宽32的车道每次却只能通行32辆车，而且指令不能分割，所以你32的别想运行64的。

寄存器

寄存器是CPU内部用来存放数据的一些小型存储区域，用来暂时存放参与运算的数据和运算结果。
在计算机领域，寄存器是CPU内部的元件，包括通用寄存器、专用寄存器和控制寄存器。寄存器拥有非常高的读写速度，所以在寄存器之间的数据传送非常快。比从内存中取

内核态与用户态

代表cpu的两种工作状态

• 内核态：运行的程序是操作系统，可以操作计算机硬件
• 用户态：运行的程序是应用程序，不能操作计算机硬件

内核态与用户态的转换：

• 应用程序的运行必然涉及到计算机硬件的操作，那就必须由用户态切换到内核态下才能实现，所以计算机工作时在频繁的发生在内核态与用户态的转换
• 是通过cpu上的psw寄存器进行之间的转换

多核和多线程

2核4线程:

• 2核代表有两个cpu, 4线程指的是每个cpu都有两个线程=》假4核

4核8线程

• 4核代表有4个cpu, 8线程指的是每个cpu都有两个线程=》假8核

1、首先站在硬件角度去看，cpu是整个计算机的核心，cpu内部集成用来控制其他计算机硬件操作的二进制指令集（ 这也是cpu设计的精髓所在，我们国家为何无法研究出国产的强大芯片，这是一个需要攻克的核心问题 ）

2、然后需要知道cpu本身也是硬件，硬件本身是死的，它们不会自发地去工作，需要人类编写程序/软件去控制它们，可以说软件是计算机硬件的灵魂。

3、结合1和2，更具体一点说，人类编写的程序最终都是转换成了cpu指令，然后去操作其他计算机硬件的，即人类的程序 ---> cpu内部的二进制指令 --> 计算机其他硬件

ps：早期的二极管之类的，相当于直接编写二进制指令来控制计算机硬件了，即二进制值指令->计算机其他硬件

2.2.2 内存

内存称之为主存

主存储器内的数据则是从输入单元所传输进来，而CPU处理完毕的数据也必须先写回主存储器中，最后

主存储器传输到输出单元。

2.2.3 硬盘

三者的速度比较：cpu > 内存 > 硬盘

速度差异原因是：物理材料不同，造cpu的材料就是快，内存材料也不差基于电工作也快，硬盘基于磁，与他俩比不照

一个程序的简单启动流程：

• 程序最先是存放于硬盘之上

• 程序的运行一定事 先把程序的代码加载到内存

• 然后cpu从内存中读取指令执行。

硬盘也可以存放指令，为什么还要有内存呢？这就好比你有了本子怎么还要背古诗呢？

内存相当于人的记忆，只要记忆在，我们就能背诵出之前记住的古诗，但是如果没有记忆，我们每次都看翻小本本去看，这就会重复很多次，不符合设计。所以我们有小本本也要有记忆。计算机不光要有硬盘也要有内存，这样就省去了每次都要从硬盘中读取指令。

3. 操作系统

3.1 操作系统的由来

上面我们已经知道我们为什么编程，就是为了奴隶计算机，帮我们干活。然后也知道了我们和计算机之间沟通的介质是编程语言。那么我们就可以奴隶计算机了。

假如我想开发一个视频软件

那么该软件的一个核心业务就是播放视频，开发者若要编写程序完成播放视频这个业务逻辑，必先涉及到底层硬

硬盘的基本运作（视频文件都是先存放于硬盘中），这意味着开发者在编写业务逻辑代码之前，必须先编写一个

制硬盘基本运行的控制程序，然而这仅仅只是一个开始，事实上，在编写应用程序的业务逻辑前，需要开发者编

出一套完整的控制程序用来控制所有硬件的基本运行（这要求开发者需要详细了解计算机硬件的各种控制细节，

如我们必须把CPU里面所有指令集都掌握一遍）

那么如果软件都是这样开发的岂不是很头疼，而且每个人开发都要先写一套控制硬件的程序。这个时候就有人站了出来说，我来给你们写这个控制硬件的，你们只要写你们软件的核心业务就行啦， 我来把复杂的硬件的控制封装成简单的接口，你们只需要调用操作系统提供给我们的接口即可。这个控制硬件的就是操作系统，本质上就是一个大型软件而已。

操作系统是一个协调、管理、控制计算机硬件资源与应用软件资源的控制程序

它位于计算机硬件与应用软件之间，起承上启下的作用

软件的分类：

• 系统软件，如操作系统
• 应用软件：谷歌浏览器，qq，微信等

软件是计算机的灵魂，硬件就是一堆废铁是没有灵魂的。

3.2 计算机系统三层结构

综上，我们开发应用程序本质是在控制硬件，但是我们直接打交道的是操作系统，应用程序都是通过操作系统来

接地操作硬件的，所以一套完整的计算机系统分为三层，如下 ：

3.3 操作系统的启动流程

BIOS介绍:

BIOS: Basic Input 0utput System

BI0S被写入ROM设备

裸机:

cpu

ROM:充当内存，存放BI0S系统

CMOS:充当硬盘

系统的安装：本质上就是把系统代码从其他存储设备中，拷贝到你电脑的本地硬盘

启动流程

1.计算机加电

2.BIOS开始运行(有无win都是)，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

3.4 密码破解与安全相关

进入BIOS页面，更改启动项为外部设备
通过外部设备的操作系统接管计算机的硬件资源的控制权限
	然后找到之前系统存在的硬盘，并进一步找到密码相关的设置文件，删除、修改
	重启进入bios界面设置会原来启动项的加载顺序
那好。我把bios加锁，也设置个密码不就好了，不让你直接进入bios页面
我们知道bios的配置设置都存储在cmos中，这玩意基于电工作，断电数据丢失，配置自然就没了
那么我们可以把机箱打开，把主板的内部的小电池拆了
那我就把机箱焊死，不让你拆开，我带回家，慢慢拆，哈哈哈

3.5 应用程序的启动流程

1、双击exe快捷方式--》exe文件的绝对路径，就是在告诉操作系统
	说:我有一个应用程序要执行，应用程序的文件路径是(exe文件的绝对路径)
2、操作系统会根据文件路径找到exe程序在硬盘的位置，控制其代码从硬盘加载到内存
3、然后控制cpu从内存中读取刚刚读入内存的应用程序的代码执行，应用程序完成启动

3.6 平台

什么是平台？

平台就是 硬件 + 操作系统

常见的平台： windows系统+某款硬件、linux系统+某款硬件、ubuntu+某款硬件等

那么什么语言支持跨平台？

跨平台就是这个语言开发出来的应用程序，源代码不需要更改就可以在别的平台上使用。