python全栈 day02 计算机原理 -- 硬件

Posted 2020-09-05

day02 计算机原理 学习总结！

一、编程语言：

    计算机编程语言，也就是所谓的机械码（二进制0101），是由早期的八卦阵图演变而来，再后来的继电器（强电接触通1，不接触解除0），根据这种情况演变而来的机械码计算，及二进制。

    任何一种编程语言要想实现其功能，不管怎么转变，都必须转换成计算机可以识别的机械码，及二进制码，计算机才能识别。

二、计算机构成：

     计算机是可以进行数值运算和逻辑运算，按照程序顺序来执行，并具备存储分析能力的电子设备，它由硬件和软件两部分构成。

     硬件主要五大部分是：运算器（CPU），控制器，存储器（硬盘），输入设备（键盘，鼠标），输出设备（显示器，打印机）

     软件分为两大类：操作系统和应用程序

     硬件与软件之间的关系是：

     硬件是基础底层，操作系统是基于硬件的基础上实现人机交互界面的中层，应用程序是作用在系统基础上，实现用户所需要功能的中上层。用户是最上层。硬件运行需要操作系统的指令来控制运行，调用应用程序的过程中，硬件的工作是程序同过操作系统来间接的控制。操作指令是一级一级的下达，指令不能越级操作。

三、CPU，内存，硬盘的理解

     处理器：相当于计算机的大脑，在多个应用需要CPU处理的时候，CPU在同一时刻只能做一件事，应用在内存中缓存，CPU处理的时候在内存中拿取，每个品牌的CPU都有一套自己的指令集，不同品牌间的CPU处理问题的指令是不通的。

     内存：内存相当于是处理器的秘书，由于处理器自身的内存很小，虽然所有的操作都需要CPU来处理，但是由于存储不足所以不可能把所有要处理的缓存都保存在自己的存储空间，所以这就体现出了内存的功能。将要处理的应用的缓存暂时的保存在内存上，然后CPU需要处理的话从内存上读取，这样可以高效的提高CPU的处理能力。同时内存的运行速度比硬盘的速度快，属于高速，但是内存不能做存储设备来使用，断电之后数据就会丢失。

     硬盘：作为计算机的存储设备，就是用来存储信息数据的设备。

四、CPU和寄存器

     由于CPU从内存中读取的速度慢，所以在内存和CPU之间会有一些用来保存数据的寄存器。相当于是一个在指令低速和高速运转之间的桥梁。

寄存器分为几大类：

     1、通用寄存器：保存变量和临时结果。

     2、程序计数器：保存应用的路径缓存，多线程的过程中可以及时的自动切换，程序计数器会将该应用进程自动加1，执行后不在返回。

     3、堆栈指针：先入后出

     4、程序状态字寄存器：内核态和用户态切换，系统临时存储变量缓存，关闭窗口或是断电丢失。

     寄存器维护：通俗的说就是进程处理完或是停止，将数据保存后休息一下，需要的时候再加载。

     CPU处理程序是按照 取指令，解码，执行来操作的，这三个部分的操作是并行发生的，执行的过程当中在解码，解码的过程当中在去指令，互不干扰，提高效率。CPU这种处理不是光有一个线程，而是有多个线程同时在工作。

五、内核态与用户态

     内核态：系统处理，最高的优先级，系统可以操作调用硬件。

     用户态：应用程序，CPU会限制其优先级的运行。

    CPU实时的在内核态和用户态之间交换，跳转。应用程序调用来切换内核态和用户态，应用程序需要进行某种进程，告诉操作系统，操作系统会做系统调用给其内核态的优先级，然后程序可以控制硬件实现进程。结束之后再切换回用户态。

 

六、L1缓存，L2缓存，内存（RAM），EEPROM和闪存，

     L1缓存：及寄存器，存在于CPU内核之中，于CPU之间实现无延迟的互访。

     L2缓存：及高速缓存，存在于CPU内部或是非常接近CPU的缓存之中。在CPU内核之外但是连接着所有的内核。若L2缓存中有系统要存储调用的东西，处理结果高速完成，则称高速缓存命中；反之则称高速缓存未命中，CPU就需要去内存读取，这样运行处理速度会感觉慢。

     内存：及主存是系统的随机访问存储RAM，系统运行进程过程中，在高速缓存中找不到的，都会到内存中找。同时内存是易失性存储，断电后数据就会全部消失。

     EEPROM：是指可擦除可编程的随机访问存储器，文件命令写入保存后不会丢失，但擦除之后再重新写入的速度会很慢。

     闪存：一般用于移动存储设备上，例如：移动硬盘，U盘，固态硬盘等。闪存的速度比磁盘快，与硬盘相比稳定性和防震强，有自我保护的程序。

七、CMOS与BIOS电池

     CMOS  BIOS电池下，保持时间和日期的一个存储器，由电池供电，但是存储也是易失性的！它可以保存BIOS系统的配置参数，BIOS系统变更后会存储在CMOS中。

八、磁盘结构

     磁盘主要是由磁盘，机械手，磁头组成，每个盘面上下有两个磁头，一块磁盘一般是有多个这样的盘面组成。磁盘文件的存储需要磁头在盘面磁道上刻录，读取的话也需要磁头在对应的磁道扇区内去寻找。盘面上的每圈磁道都可以划分成多个扇区。

     磁盘存储大型文件是将大文件拆分成块，同时存储。由于数据都存放于一段一段的扇区，从磁盘读取一段数据需要经历寻道时间和延迟时间。

     平均寻道时间，指的是磁头寻找到想读取的数据的磁道所花费的时间。

     平均延迟时间，指的是找到了磁道，但是不一定是所在的数据扇区，需要磁头旋转到数据所在的正确位置。

九、虚拟内存与MMU

     大文件运行，内存不足的话，系统将缓存在硬盘上的虚拟内存运行，速度慢，虚拟内存运行相当于是从内存中取出待执行的程序，执行的话再放回。两者之间是映射关系，虚拟内存，内存，CPU之间是MMU（存储器管理单元）关系。

十、磁带

     存储速度很慢，但是容量大，可移动性强，普遍应用于存储领域。

十一、设备驱动与控制器

     控制器是指连接设备的接口后相对应的一个或是一组控制芯片，他负责从系统接收到命令控制所接设备。

设备驱动指：所接设备正常运行所对应的控制软件。

十二、总线与南桥和北桥

     总线：指计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线。主机的各个部件通过总线相连接，外接设备通过相应的接口电路再与总线相连接。

    随着计算机的复杂化，信息传递的增多，处理的速度越来越快，单总线模式不再适用进而出现了多总线模式。在多总线模式中，存在北桥和南桥。北桥即PCI桥，连通着CPU，内存等这些高速设备；南桥即ISA桥，连接着硬盘，显示器，USB总线等这些低速设备。同时南北桥之间互联，实现信息的交互通信。

十三、操作系统的启动流程

     1、开机设备加电；

     2、BIOS运行，检查硬件，读取CMOS存储器系统配置参数，选择启动设备；

     3、读键盘，点亮显示器，读取系统盘配置文件；

     4、读入bootloader启动装载模块，然后启动操作系统。

     5、系统询问BIOS获取配置信息，检查设备驱动是否存在，不存在会提示用户安装。存在会存入内核。

十四、应用程序的启动流程

     外接鼠标通过控制器传递操作系统移动光标操作双击桌面快捷方式；

     快捷方式通过操作系统，调用磁盘内对应路径的文件；

     应用程序正常运行，在桌面启动。