計算機基礎知識

　　 

一、為何要學習計算機基礎？

           好多人覺得自己有點基礎就都想著直接敲程式碼，覺得基礎知識很容易，很簡單，就不怎麼用心去學。然而，我覺得基礎知識很重要。就像蓋一棟樓房一樣，你先要打好地基，再去蓋房。  　　

　　　Python是一門程式語言，即通俗一點說就是語言。

　　　我們都知道世界上有很多種語言，比如：漢語，英語，阿拉伯語等等眾多的語言。要想用這些語言去和人溝通，如果你想和英國人說話，你必須得會英語吧。而我們的計算機也有它自己的語言，你要想讓計算機幫助我們做事情，你就需要和它溝通吧。那你就得懂得計算機語言吧，也就是程式設計。當然計算機也有很多語言，比如：C，Java，PHP，Python，C#等。所以我們就先從學習基礎知識開始。也有人說學習基礎理論知識很枯燥，但是，那還是得學。你要把它當成自己的興趣，一點一點的去投入它，相信你會是很棒的。

　　  程式用程式語言來寫程式，最終開發的結果就是一個軟體。就像大家都知道的QQ，騰訊視訊，酷狗音樂等一系列軟體。這些軟體要想執行必須得有系統控制它吧。當然，有人會問：為什麼要用作業系統呢？當然，很久以前的那些程式設計師確實是在沒有操作環境下，程式語言是操作硬體來編寫的。你可能覺得沒問題，但是其實問題很嚴重。如果一直像以前那樣會嚴重影響效率的。作業系統是出現在硬體之上的，是用來控制硬體的。所以，我們開發時只需要呼叫作業系統為我們提供的簡單的介面就可以了。

  

　　　如上圖所示，我把計算機的系統分為了上面三大塊。硬體，作業系統，應用程式。要想學習軟體知識，我想那些硬體的知識或多或少還是得了解點的，現在我們就來談談硬體一類的知識。

二、計算機硬體介紹

    1. 硬體的目的：為了執行軟體給它的一些指令。我們可以優先從硬體中提取出這三個主要的東西，分別是： CPU，記憶體，硬碟

       2. 在現實生活中，人腦是用來計算的，在計算機中，用來計算的是什麼呢？當然是CPU了。多數CPU都有兩種模式，即核心態與使用者態。這裡的即核心態與使用者態將會在下面的內容中講到。

       3.如果我們把計算機理解為人的大腦，我們可以總結為幾句話：

           　　　　CPU是人的大腦，負責運算

　　  　　　　記憶體是人的記憶，負責臨時儲存

　　  　　　　硬碟是人的筆記本，負責永久儲存

　　　　　　  輸入裝置是人的耳朵或眼睛，負責接受外部的資訊傳給CPU

　　　　　　  以上所有的裝置都通過匯流排連線，匯流排相當於人的神經

                                                                                            匯流排示意圖

三、處理器（暫存器及核心態與使用者態切換）

　　 1.計算機的大腦是CPU，它從記憶體中取指令-▶解碼-▶執行，然後在取指令，解碼，執行，周而復始，直至整個程式被執行完成。

　　　2. 暫存器是一個儲存裝置，最快的一種儲存裝置就是暫存器。

      3.暫存器的分類

　　　　　　①通用暫存器：用來儲存變數和臨時結果的。

　　　　　　②程式計數器：它儲存了將要取出的下一條指令的記憶體地址。在指令取出後，程式計算器就被更新以便執行後期的指令

　　　　　　③堆疊指標：它指向記憶體中當前棧的頂端。該棧包含已經進入但是還沒有退出的每個過程中的一個框架。在一個過程的堆疊框架中儲存了有關的輸入引數、區域性變數以及那些沒有儲存在暫存器中的臨時變數

　　　　　　④程式狀態字暫存器（Program Status Word,簡稱PSW）：這個暫存器包含了條碼位(由比較指令設定)、CPU優先順序、模式（使用者態或核心態），以及各種其他控制位。使用者通常讀入整個PSW，但是隻對其中少量的欄位寫入。在系統呼叫和I/O中，PSW非常重要。

　　  4.核心態與使用者態

       多數CPU都有兩種模式，即核心態與使用者態。  　　　　　　

　　　　①當cpu處於核心狀態時，執行的是作業系統，能控制硬體（可以獲取所有cpu的指令集）　　　　　

　　　　②當cpu處於使用者太狀態時，執行的是使用者軟體，不能控制硬體（可以獲取所有cpu的指令集中的一個子集，該子集不包括操作硬體的指令集）

　　　這裡有些人可能會含糊什麼是核心態，什麼是使用者態？下面我來解釋一下：

　　　　核心態:當cpu在核心態執行時，cpu可以執行指令集中所有的指令，很明顯，所有的指令中包含了使用硬體的所有功能，（作業系統在核心態下執行，從而可以訪問整個硬體）所以，歸根結底通俗一點的話也就是上面①解釋的那樣

　　　　使用者態:使用者程式在使用者態下執行，僅僅只能執行cpu整個指令集的一個子集，該子集中不包含操作硬體功能的部分，因此，一般情況下，在使用者態中有關I/O和記憶體保護（作業系統佔用的記憶體是受保護的，不能被別的程式佔用），當然，在使用者態下，將PSW中的模式設定成核心態也是禁止的。

　　5.核心態與使用者態切換

      使用者態下工作的軟體是不能之間操作硬體的，但是像我們的一些軟體，比如暴風音影啊一類的軟體，我們要想從磁碟中讀取一個電影檔案，那就得從使用者態切換成核心態，為此，使用者程式必須使用系統呼叫（system call），系統呼叫陷入核心並呼叫作業系統，TRAP指令把使用者態切換成核心態，並啟用作業系統從而獲得服務。

四、儲存器系列，L1快取，L2快取，記憶體（RAM），EEPROM和快閃記憶體，CMOS與BIOS電池

       1.  計算機中第二重要的就是儲存了，所有人都意淫著儲存：速度快（這樣cpu的等待儲存器的延遲就降低了）+容量大+價錢便宜。然後同時兼備三者是不可能的，所以有了如下的不同的處理方式

由上圖可以很清楚的看見暫存器儲存是速度非常快的，但是它的容量卻很少。下來就是快取記憶體了。我就不一一介紹了，我相信大家應該可以看得懂這個圖。

　2.暫存器即L1快取：用與cpu相同材質製造，與cpu一樣快，因而cpu訪問它無時延，典型容量是：在32位cpu中為32*32，在64位cpu中為64*64，在兩種情況下容量均<1KB。

   3.快取記憶體即L2快取：主要由硬體控制快取記憶體的存取，記憶體中有快取記憶體行按照0~64位元組為行0，64~127為行1。。。最常用的快取記憶體行放置在cpu內部或者非常接近cpu的快取記憶體中。當某個程式需要讀一個儲存字時，快取記憶體硬體檢查所需要的快取記憶體行是否在快取記憶體中。

   4.記憶體：主存通常稱為隨機訪問儲存RAM，就是我們通常所說的記憶體，容量一直在不斷攀升，所有不能再快取記憶體中找到的，都會到主存中找，主存是易失性儲存，斷電後資料全部消失

   5.EEPROM（Electrically Erasable PROM，電可擦除可程式設計ROM）和快閃記憶體（flash memory）也是非易失性的。還有一類儲存器就是CMOS，它是易失性的，許多計算機利用CMOS儲存器來保持當前時間和日期。CMOS儲存器和遞增時間的電路由一小塊電池驅動，所以，即使計算機沒有加電，時間也仍然可以正確地更新，除此之外CMOS還可以儲存配置的引數，比如，哪一個是啟動磁碟等，之所以採用CMOS是因為它耗電非常少，一塊工廠原裝電池往往能使用若干年，但是當電池失效時，相關的配置和時間等都將丟失。

五、磁碟

1.磁碟由磁頭，磁軌，扇區組成的。

2.磁軌：每個磁頭可以讀取一段換新區域。把一個戈丁手臂位置上所以的磁軌合起來，組成一個柱面

3.每個磁軌劃成若干扇區，扇區典型的值是512位元組。

4.資料都存放於一段一段的扇區，即磁軌這個圓圈的一小段圓圈，從磁碟讀取一段資料需要經歷尋道時間和延遲時間，那麼什麼是尋道時間和延遲時間呢？

    平均尋道時間：機械手臂從一個柱面隨機移動到相鄰的柱面的時間成為尋到時間，找到了磁軌就以為著招到了資料所在的那個圈圈，但是還不知道資料具體這個圓圈的具體位置

    平均延遲時間：機械臂到達正確的磁軌之後還必須等待旋轉到資料所在的扇區下，這段時間成為延遲時間

 

 

六、磁帶

1.有些人會想磁帶是用來幹什麼的呢？當然，它也是記憶體之一，是用來儲存東西的，它的儲存量是相當大的，而且價錢也便宜。當遇上火災等緊急情況時，可以用磁帶來儲存我們的重要檔案。常常用來做備份（常見於大型資料庫系統中）。但是，它也有缺點，就是執行速度特別慢，效率低。

2.cpu和儲存器並不是作業系統唯一需要管理的資源，I/O裝置也是非常重要的一環。I/O裝置一般包括兩個部分：裝置控制器和裝置本身。

控制器的功能：通常情況下對裝置的控制是非常複雜和具體的，控制器的任務就是為作業系統遮蔽這些複雜而具體的工作，提供給作業系統一個簡單而清晰的介面

裝置本身：有相對簡單的介面且標準的，這樣大家都可以為其編寫驅動程式了。要想呼叫裝置，必須根據該介面編寫複雜而具體的程式，於是有了控制器提供裝置驅動介面給作業系統。必須把裝置驅動程式安裝到作業系統中。

七、匯流排

　　　　北橋即PCI橋：連線高速裝置

　　　  南橋即ISA橋：連線慢速裝置

 

八、作業系統的啟動流程

　　1.計算機加電

　　2.BIOS開始執行，檢測硬體：cpu、記憶體、硬碟等

　　3.BIOS讀取CMOS儲存器中的引數，選擇啟動裝置

　　4.從啟動裝置上讀取第一個扇區的內容（MBR主引導記錄512位元組，前446為引導資訊，後64為分割槽資訊，最後兩個為標誌位）

　　5.根據分割槽資訊讀入bootloader啟動裝載模組，啟動作業系統

　　6.然後作業系統詢問BIOS，以獲得配置資訊。對於每種裝置，系統會檢查其裝置驅動程式是否存在，如果沒有，系統則會要求使用者按照裝置驅動程式。一旦有了全部的裝置驅動程式，作業系統就將它們調入核心。然後初始有關的表格（如程序表），穿件需要的程序，並在每個終端上啟動登入程式或GUI

九、應用程式的啟動流程

　　1.雙擊快捷方式

　　2.告訴作業系統一個檔案路徑

　　3.作業系統從硬碟讀取檔案到記憶體中

　　4.cpu從記憶體中讀取資料執行

　　 

一、為何要學習計算機基礎？

           好多人覺得自己有點基礎就都想著直接敲程式碼，覺得基礎知識很容易，很簡單，就不怎麼用心去學。然而，我覺得基礎知識很重要。就像蓋一棟樓房一樣，你先要打好地基，再去蓋房。  　　

　　　Python是一門程式語言，即通俗一點說就是語言。

　　　我們都知道世界上有很多種語言，比如：漢語，英語，阿拉伯語等等眾多的語言。要想用這些語言去和人溝通，如果你想和英國人說話，你必須得會英語吧。而我們的計算機也有它自己的語言，你要想讓計算機幫助我們做事情，你就需要和它溝通吧。那你就得懂得計算機語言吧，也就是程式設計。當然計算機也有很多語言，比如：C，Java，PHP，Python，C#等。所以我們就先從學習基礎知識開始。也有人說學習基礎理論知識很枯燥，但是，那還是得學。你要把它當成自己的興趣，一點一點的去投入它，相信你會是很棒的。

　　  程式用程式語言來寫程式，最終開發的結果就是一個軟體。就像大家都知道的QQ，騰訊視訊，酷狗音樂等一系列軟體。這些軟體要想執行必須得有系統控制它吧。當然，有人會問：為什麼要用作業系統呢？當然，很久以前的那些程式設計師確實是在沒有操作環境下，程式語言是操作硬體來編寫的。你可能覺得沒問題，但是其實問題很嚴重。如果一直像以前那樣會嚴重影響效率的。作業系統是出現在硬體之上的，是用來控制硬體的。所以，我們開發時只需要呼叫作業系統為我們提供的簡單的介面就可以了。

  

　　　如上圖所示，我把計算機的系統分為了上面三大塊。硬體，作業系統，應用程式。要想學習軟體知識，我想那些硬體的知識或多或少還是得了解點的，現在我們就來談談硬體一類的知識。

二、計算機硬體介紹

    1. 硬體的目的：為了執行軟體給它的一些指令。我們可以優先從硬體中提取出這三個主要的東西，分別是： CPU，記憶體，硬碟

       2. 在現實生活中，人腦是用來計算的，在計算機中，用來計算的是什麼呢？當然是CPU了。多數CPU都有兩種模式，即核心態與使用者態。這裡的即核心態與使用者態將會在下面的內容中講到。

       3.如果我們把計算機理解為人的大腦，我們可以總結為幾句話：

           　　　　CPU是人的大腦，負責運算

　　  　　　　記憶體是人的記憶，負責臨時儲存

　　  　　　　硬碟是人的筆記本，負責永久儲存

　　　　　　  輸入裝置是人的耳朵或眼睛，負責接受外部的資訊傳給CPU

　　　　　　  以上所有的裝置都通過匯流排連線，匯流排相當於人的神經

                                                                                            匯流排示意圖

三、處理器（暫存器及核心態與使用者態切換）

　　 1.計算機的大腦是CPU，它從記憶體中取指令-▶解碼-▶執行，然後在取指令，解碼，執行，周而復始，直至整個程式被執行完成。

　　　2. 暫存器是一個儲存裝置，最快的一種儲存裝置就是暫存器。

      3.暫存器的分類

　　　　　　①通用暫存器：用來儲存變數和臨時結果的。

　　　　　　②程式計數器：它儲存了將要取出的下一條指令的記憶體地址。在指令取出後，程式計算器就被更新以便執行後期的指令

　　　　　　③堆疊指標：它指向記憶體中當前棧的頂端。該棧包含已經進入但是還沒有退出的每個過程中的一個框架。在一個過程的堆疊框架中儲存了有關的輸入引數、區域性變數以及那些沒有儲存在暫存器中的臨時變數

　　　　　　④程式狀態字暫存器（Program Status Word,簡稱PSW）：這個暫存器包含了條碼位(由比較指令設定)、CPU優先順序、模式（使用者態或核心態），以及各種其他控制位。使用者通常讀入整個PSW，但是隻對其中少量的欄位寫入。在系統呼叫和I/O中，PSW非常重要。

　　  4.核心態與使用者態

       多數CPU都有兩種模式，即核心態與使用者態。  　　　　　　

　　　　①當cpu處於核心狀態時，執行的是作業系統，能控制硬體（可以獲取所有cpu的指令集）　　　　　

　　　　②當cpu處於使用者太狀態時，執行的是使用者軟體，不能控制硬體（可以獲取所有cpu的指令集中的一個子集，該子集不包括操作硬體的指令集）

　　　這裡有些人可能會含糊什麼是核心態，什麼是使用者態？下面我來解釋一下：

　　　　核心態:當cpu在核心態執行時，cpu可以執行指令集中所有的指令，很明顯，所有的指令中包含了使用硬體的所有功能，（作業系統在核心態下執行，從而可以訪問整個硬體）所以，歸根結底通俗一點的話也就是上面①解釋的那樣

　　　　使用者態:使用者程式在使用者態下執行，僅僅只能執行cpu整個指令集的一個子集，該子集中不包含操作硬體功能的部分，因此，一般情況下，在使用者態中有關I/O和記憶體保護（作業系統佔用的記憶體是受保護的，不能被別的程式佔用），當然，在使用者態下，將PSW中的模式設定成核心態也是禁止的。

　　5.核心態與使用者態切換

      使用者態下工作的軟體是不能之間操作硬體的，但是像我們的一些軟體，比如暴風音影啊一類的軟體，我們要想從磁碟中讀取一個電影檔案，那就得從使用者態切換成核心態，為此，使用者程式必須使用系統呼叫（system call），系統呼叫陷入核心並呼叫作業系統，TRAP指令把使用者態切換成核心態，並啟用作業系統從而獲得服務。

四、儲存器系列，L1快取，L2快取，記憶體（RAM），EEPROM和快閃記憶體，CMOS與BIOS電池

       1.  計算機中第二重要的就是儲存了，所有人都意淫著儲存：速度快（這樣cpu的等待儲存器的延遲就降低了）+容量大+價錢便宜。然後同時兼備三者是不可能的，所以有了如下的不同的處理方式

由上圖可以很清楚的看見暫存器儲存是速度非常快的，但是它的容量卻很少。下來就是快取記憶體了。我就不一一介紹了，我相信大家應該可以看得懂這個圖。

　2.暫存器即L1快取：用與cpu相同材質製造，與cpu一樣快，因而cpu訪問它無時延，典型容量是：在32位cpu中為32*32，在64位cpu中為64*64，在兩種情況下容量均<1KB。

   3.快取記憶體即L2快取：主要由硬體控制快取記憶體的存取，記憶體中有快取記憶體行按照0~64位元組為行0，64~127為行1。。。最常用的快取記憶體行放置在cpu內部或者非常接近cpu的快取記憶體中。當某個程式需要讀一個儲存字時，快取記憶體硬體檢查所需要的快取記憶體行是否在快取記憶體中。

   4.記憶體：主存通常稱為隨機訪問儲存RAM，就是我們通常所說的記憶體，容量一直在不斷攀升，所有不能再快取記憶體中找到的，都會到主存中找，主存是易失性儲存，斷電後資料全部消失

   5.EEPROM（Electrically Erasable PROM，電可擦除可程式設計ROM）和快閃記憶體（flash memory）也是非易失性的。還有一類儲存器就是CMOS，它是易失性的，許多計算機利用CMOS儲存器來保持當前時間和日期。CMOS儲存器和遞增時間的電路由一小塊電池驅動，所以，即使計算機沒有加電，時間也仍然可以正確地更新，除此之外CMOS還可以儲存配置的引數，比如，哪一個是啟動磁碟等，之所以採用CMOS是因為它耗電非常少，一塊工廠原裝電池往往能使用若干年，但是當電池失效時，相關的配置和時間等都將丟失。

五、磁碟

1.磁碟由磁頭，磁軌，扇區組成的。

2.磁軌：每個磁頭可以讀取一段換新區域。把一個戈丁手臂位置上所以的磁軌合起來，組成一個柱面

3.每個磁軌劃成若干扇區，扇區典型的值是512位元組。

4.資料都存放於一段一段的扇區，即磁軌這個圓圈的一小段圓圈，從磁碟讀取一段資料需要經歷尋道時間和延遲時間，那麼什麼是尋道時間和延遲時間呢？

    平均尋道時間：機械手臂從一個柱面隨機移動到相鄰的柱面的時間成為尋到時間，找到了磁軌就以為著招到了資料所在的那個圈圈，但是還不知道資料具體這個圓圈的具體位置

    平均延遲時間：機械臂到達正確的磁軌之後還必須等待旋轉到資料所在的扇區下，這段時間成為延遲時間

 

 

六、磁帶

1.有些人會想磁帶是用來幹什麼的呢？當然，它也是記憶體之一，是用來儲存東西的，它的儲存量是相當大的，而且價錢也便宜。當遇上火災等緊急情況時，可以用磁帶來儲存我們的重要檔案。常常用來做備份（常見於大型資料庫系統中）。但是，它也有缺點，就是執行速度特別慢，效率低。

2.cpu和儲存器並不是作業系統唯一需要管理的資源，I/O裝置也是非常重要的一環。I/O裝置一般包括兩個部分：裝置控制器和裝置本身。

控制器的功能：通常情況下對裝置的控制是非常複雜和具體的，控制器的任務就是為作業系統遮蔽這些複雜而具體的工作，提供給作業系統一個簡單而清晰的介面

裝置本身：有相對簡單的介面且標準的，這樣大家都可以為其編寫驅動程式了。要想呼叫裝置，必須根據該介面編寫複雜而具體的程式，於是有了控制器提供裝置驅動介面給作業系統。必須把裝置驅動程式安裝到作業系統中。

七、匯流排

　　　　北橋即PCI橋：連線高速裝置

　　　  南橋即ISA橋：連線慢速裝置

 

八、作業系統的啟動流程

　　1.計算機加電

　　2.BIOS開始執行，檢測硬體：cpu、記憶體、硬碟等

　　3.BIOS讀取CMOS儲存器中的引數，選擇啟動裝置

　　4.從啟動裝置上讀取第一個扇區的內容（MBR主引導記錄512位元組，前446為引導資訊，後64為分割槽資訊，最後兩個為標誌位）

　　5.根據分割槽資訊讀入bootloader啟動裝載模組，啟動作業系統

　　6.然後作業系統詢問BIOS，以獲得配置資訊。對於每種裝置，系統會檢查其裝置驅動程式是否存在，如果沒有，系統則會要求使用者按照裝置驅動程式。一旦有了全部的裝置驅動程式，作業系統就將它們調入核心。然後初始有關的表格（如程序表），穿件需要的程序，並在每個終端上啟動登入程式或GUI

九、應用程式的啟動流程

　　1.雙擊快捷方式

　　2.告訴作業系統一個檔案路徑

　　3.作業系統從硬碟讀取檔案到記憶體中

　　4.cpu從記憶體中讀取資料執行