Python学习第一天----计算机基础

Posted 2020-09-03

一、学习计算机基础的目的

    再高级的编程语言都是运行在操作系统之上的，而操作系统又是运行在硬件基础之上。所以在开始学习编程之前需要深刻的了解并熟知计算机的基础知识。包括硬件基础及操作系统基础。

二、计算机硬件发展史

    计算机的定义：是现代用于高速计算的一种电子计算机器，可以进行数值计算，又可以进行逻辑计算，还具有存储记忆功能。

    发展史：

    原型或者说灵感起源于中国

    1946年2月14日情人节这天，世界上第一台电子计算机“电子数字积分计算机ENIAC”在美国宾夕法尼亚大学问世。

    电子管时代---晶体管时代---集成电路时代---大规模超大规模集成电路

三、计算机的组成

    硬件系统的组成：运算器，控制器，存储器，输入设备，输出设备

    硬件系统---操作系统---应用软件

    操作系统其实也是一个系统软件，用来控制和协调计算机及外部设备，应用软件就是例如QQ、魔兽世界等此类软件。

四、计算机硬件介绍

    CPU、存储器、视频监视器、键盘控制器、Usb控制器、硬盘控制器、及显示器、键盘、鼠标、、硬盘、声卡、显卡等等都属于计算机硬件。

1.CPU   

     CPU负责计算，内存及硬盘负责存储信息，鼠标键盘用来给计算机输入指令，显示器用于输出运算信息。

    CPU从内存中取指令--》解码--》执行，然后再循环往复执行此操作，每个CPU都有自己的一套指令集，不同架构的CPU运行不了不支持此指令集的程序。

    关于寄存器的概念：

    寄存器分类：通用寄存器（用于保存变量和临时结果）、程序计数器（记录程序执行的位置）、堆栈指针（先进后出，和队列正好相反）、程序状态字寄存器（很重要的一个寄存器，包含了CPU优先级、CPU模式、还有其他控制位）

    CPU有两种模式：用户态和内核态，当内核态时，cpu可以执行所有指令，也就意味着它可以调度硬件，但是在用户态下只能执行部分指令集，也就是说不能够调度硬件。用户态和内核态之前的切换通过“系统调用”来实现。 

    多线程和多核芯片：CPU中有L1、L2、L3各种缓存，缓存的制作材质与CPU的材质相同，所以cpu访问缓存时没有延迟。为了增强CPU的性能，intel公司提出了多线程的概念，进程是资源单位而线程才是CPU的执行单位。

2.存储器

    理想的存储器当然是速度快容量大价格便宜，但目前的技术发展的水平来看是不可能的。

    存储器大概有以下几种：寄存器、高速缓存、内存、硬盘、磁带，从前到后基本上是速度越来越慢，容量越来越大，体积也越来越大。L1缓存即寄存器在32位系统中大小为32*32，在64位系统中为64*64，与CPU的速度一样快。高速缓存就是L2，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，如果是，则称为高速缓存命中，否则称为高速缓存未命中，这时候就要去内存中读取数据。

    主存：即内存，是RAM，断电丢失。ROM是非易失性随机访问存储，EEPROM是电可擦除ROM是非易失性的。CMOS：易失性，可存储时间及日期，其他一些硬件的配置参数，启动磁盘等信息，通常有一块电池供电，位于主板上。

    硬盘：判断硬盘的两个指标，一个是转速，一个是容量。8个bit=1Bytes，1024Bytes=1KB，1024K=1MB，1024MB=1GB,所以我们平时所说的磁盘容量最终指的就是磁盘能写多少个2进制位。硬盘是由许多盘片堆叠而成的，中间有盘柱，还有机械手臂，每个盘片都有一个磁头。一个扇区的值为512个字节，在Linux系统中，数据以Block块进行存储。八个扇区形成了一个块，即4KB。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 ，寻道时间就是机械手臂找到数据所在的磁道的时间，延迟时间就是磁头在磁道上找到所需数据的平均时间。

    虚拟内存：根据现实情况，计算机的内存在某些时候很显然是不能满足大程序的运行的要求的，比如物理内存大小是2G，而这时有一个8G的程序需要运行，那么计算机这时候就需要通过存储器管理单元MMU找到硬盘中对应的一块地方并将其划分为虚拟内存。Linux系统下的swap分区其实就是虚拟内存

    上下文切换：从一个程序切换到另一个程序上去运行，可以提升系统的性能。

    磁带：容量大，常用于大型数据库系统备份

    I/O设备：包括设备控制器和设备自身，每一个插硬件的地方都有一个设备控制器。

    总线：如图

    北桥连接的都是诸如：高速缓存、CPU、内存等高速设备

    南桥连接的都是诸如：硬盘、显卡、USB设备、声卡等低速设备

五、计算机启动过程

    第一步：通电

    第二步：运行BIOS，检测CPU、内存、硬盘等

    第三步：读取CMOS中的信息，包括硬件配置信息及系统启动盘选择

    第四步：读取启动盘的第0磁道的第一个扇区，也就是MBR（主引导记录），共512个字节，前446个              字节为引导信息，中间64个字节为分区信息，后2个字节为标志位

    第五步：根据MBR读入相应的启动模块从而启动操作系统

    第六步：这时候操作系统再询问BIOS，获取配置信息和硬件信息，并检测其驱动程序的存在，如果             没有会提示安装，如果都有驱动程序，操作系统便将它们调入内存运行，然后创建相应进             程，运行图形化用户界面。至此，计算机启动完成。

附：linux启动过程

第一步－－加载BIOS

    当你打开计算机电源，计算机会首先加载BIOS信息，BIOS信息是如此的重要，以至于计算机必须在最开始就找到它。这是因为BIOS中包含了CPU的相关信息、设备启动顺序信息、硬盘信息、内存信息、时钟信息、PnP特性等等。在此之后，计算机心里就有谱了，知道应该去读取哪个硬件设备了。

第二步－－读取MBR

    众所周知，硬盘上第0磁道第一个扇区被称为MBR，也就是Master Boot Record，即主引导记录，它的大小是512字节，别看地方不大，可里面却存放了预启动信息、分区表信息。

系统找到BIOS所指定的硬盘的MBR后，就会将其复制到0x7c00地址所在的物理内存中。其实被复制到物理内存的内容就是Boot Loader，而具体到你的电脑，那就是lilo或者grub了。

第三步－－Boot Loader / Grup

    Boot Loader 就是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。通过这段小程序，我们可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核做好一切准备。

    Boot Loader有若干种，其中Grub、Lilo和spfdisk是常见的Loader。

    我们以Grub为例来讲解吧，毕竟用lilo和spfdisk的人并不多。

    系统读取内存中的grub配置信息（一般为menu.lst或grub.lst），并依照此配置信息来启动不同的     操作系统。

第四步－－加载内核

    根据grub设定的内核映像所在路径，系统读取内存映像，并进行解压缩操作。此时，屏幕一般会输出“Uncompressing Linux”的提示。当解压缩内核完成后，屏幕输出“OK,booting the kernel”。

系统将解压后的内核放置在内存之中，并调用start_kernel()函数来启动一系列的初始化函数并初始化各种设备，完成Linux核心环境的建立。至此，Linux内核已经建立起来了，基于Linux的程序应该可以正常运行了。

第五步－－用户层init依据inittab文件来设定运行等级

    内核被加载后，第一个运行的程序便是/sbin/init，该文件会读取/etc/inittab文件，并依据此文件来进行初始化工作。

    其实/etc/inittab文件最主要的作用就是设定Linux的运行等级，其设定形式是“：id:5:initdefault:”，这就表明Linux需要运行在等级5上。Linux的运行等级设定如下：

0：关机

1：单用户模式

2：无网络支持的多用户模式

3：有网络支持的多用户模式

4：保留，未使用

5：有网络支持有X-Window支持的多用户模式

6：重新引导系统，即重启

关于/etc/inittab文件的学问，其实还有很多。

第六步－－init进程执行rc.sysinit

    在设定了运行等级后，Linux系统执行的第一个用户层文件就是/etc/rc.d/rc.sysinit脚本程序，它做的工作非常多，包括设定PATH、设定网络配置（/etc/sysconfig/network）、启动swap分区、设定/proc等等。如果你有兴趣，可以到/etc/rc.d中查看一下rc.sysinit文件，里面的脚本够你看几天的。

启动第七步－－启动内核模块

    具体是依据/etc/modules.conf文件或/etc/modules.d目录下的文件来装载内核模块。

启动第八步－－执行不同运行级别的脚本程序（/etc/rc.d/rc $RUNLEVEL    #$RUNLEVEL为缺省的运行模式 ）

    根据运行级别的不同，系统会运行rc0.d到rc6.d中的相应的脚本程序，来完成相应的初始化工作和启动相应的服务。

第九步－－执行/etc/rc.d/rc.local

    你如果打开了此文件，里面有一句话，读过之后，你就会对此命令的作用一目了然：

# This script will beexecuted *after* all the other init scripts.
# You can put your own initialization stuff in here if you don’t
# want to do the full Sys V style init stuff.

rc.local就是在一切初始化工作后，Linux留给用户进行个性化的地方。你可以把你想设置和启动的东西放到这里。

第十步－－执行/bin/login程序，进入登录状态

    此时，系统已经进入到了等待用户输入username和password的时候了，你已经可以用自己的帐号登入系统了。