计算机基础介绍

Posted 2020-09-03

 

1.应用程序与操作系统与硬件的关系

操作系统是管理计算机硬件与软件资源的计算机程序，同时也是计算机系统的内核与基石。操作系统需要处理如管理与配置内存、决定系统资源供需的优先次序、控制输入与输出设备、操作网络与管理文件系统等基本事务。应用程式是电脑软体的主要分类之一，是指为针对使用者的某种应用目的所撰写的软体。

应用程式通常又被分为两部分：图形使用者介面（GUI）和引擎（Engine）。三者关系也可以用这张Linux图来解释

 

2.CPU与内存与磁盘的关系

CUP负责运算、内存负责临时存储、硬盘负责永久存储。三者关系为硬盘传输到内存再到CPU处理。因为CPU的运算速度大于内存大于硬盘。输入设备负责接收外部信息传给CPU，输出设备负责经过处理后输出结果。

3.cpu与寄存器，内核态与用户态及如何切换

寄存器是中央处理器内的其中组成部份。 寄存器是有限存贮容量的高速存贮部件，它们可用来暂存指令、 数据和位址 。CPU内部都有一些用来保存关键变量和临时数据即寄存器。

用户态切换到内核态的3种方式

a. 系统调用

这是用户态进程主动要求切换到内核态的一种方式，用户态进程通过系统调用申请使用操作系统提供的服务程序完成工作，比如前例中fork()实际上就是执行了一个创建新进程的系统调用。而系统调用的机制其核心还是使用了操作系统为用户特别开放的一个中断来实现，例如Linux的int 80h中断。

b. 异常

当CPU在执行运行在用户态下的程序时，发生了某些事先不可知的异常，这时会触发由当前运行进程切换到处理此异常的内核相关程序中，也就转到了内核态，比如缺页异常。

c. 外围设备的中断

当外围设备完成用户请求的操作后，会向CPU发出相应的中断信号，这时CPU会暂停执行下一条即将要执行的指令转而去执行与中断信号对应的处理程序，如果先前执行的指令是用户态下的程序，那么这个转换的过程自然也就发生了由用户态到内核态的切换。比如硬盘读写操作完成，系统会切换到硬盘读写的中断处理程序中执行后续操作等。

这3种方式是系统在运行时由用户态转到内核态的最主要方式，其中系统调用可以认为是用户进程主动发起的，异常和外围设备中断则是被动的。

内核态可以随意进入用户态。

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

寄存器即L1缓存，L1在CPU内部，运算速度和CPU一样快，也和CPU为材质，在32位中为32*32，64位中为64*64

高速缓存即L2缓存，CPU高速缓存是用于减少处理器访问内存所需平均时间的部件。在金字塔式存储体系中它位于自顶向下的第二层，仅次于CPU寄存器。其容量远小于内存，但速度却可以接近处理器的频率。当你需要一个存储字而存储字又正好在L2缓存中，那么则称之为高速缓存命中，高速缓存命中可以节省时间，不用通过总线发送请求到内存中。高速缓存存在命中率，有方法可以提高命中，我还没看懂。高速缓存为命中则必须访问内存，这需要花费大量的时间。由于价格昂贵，所以内存有限。

内存（RAM）主存-存储器系统的主力，通常被称为随机访问存储RAM，在高速缓存找不到的都可以在内存中找到，缺点是易失性存储，断电后数据会全部消失。

EEPROM-全称电子抹除式可复写只读存储器 （英语：Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory），是一种可以通过电子方式多次复写的半导体存储设备。EEPROM取代了EPROM的地位，不用紫外线用特定的电压即可抹除芯片上的信息，以便写入新的数据。现在如今EEPROM通常不再需要额外的VPP电压，且写入时间也有缩短。由于其优秀的性能，以及在线操作的便利，被广泛用于需要经常擦除的Bios芯片以及闪存芯片并逐步替代部分有断电保留需要的RAM芯片，甚至替换部分的硬盘功能。是21世纪发展最快最常用的两种存储技术。（属于非易失性）

闪存-是一种电子式可清除程序化只读存储器的形式，允许在操作中被多次擦或写的存储器。这种科技主要用于一般性数据存储，以及在电脑与其他数字产品间交换传输数据，如储存卡与U盘。闪存是一种特殊的、以宏块抹写的EEPROM。闪存成本比EEPROM低，也因此成为被广泛采纳的技术。闪存是非易失性的存储器。这表示单就保存数据而言，它是不需要消耗电力的。与硬盘相比，闪存也有更佳的动态抗震性。这些特性正是闪存被移动设备广泛采用的原因。闪存还有一项特性：当它被制成储存卡时非常可靠──即使浸在水中也足以抵抗高压与极端的温度。闪存的写入速度往往明显慢于读取速度。缺点在于闪存使用次数过多易磨损。

CMOS-CMOS存储器被定义为易失性的，其易失性在于电池的寿命，电池没电了数据也会一起消失。CMOS存储器被用于存储当前时间与日期，因为用电池驱动所以计算机在关机的时候依然能计算时间与日期。其还可以保存配置的参数。

BIOS电池-一般被用于主板电池，也具有使用寿命。电脑中的BIOS电池的作用是提供电脑关机后给记录BIOS信息的作用，如果它没有电了，会导致电脑的一些基础信息不能被保存。

5、磁盘结构，平均寻道时间，平均延迟时间，虚拟内存与MMU

磁盘的结构可以分为以下几种：

磁头（head）：对磁盘的数据进行读写

磁道（track）：当磁盘旋转时，磁头若保持在一个位置上，则每个磁头都会在磁盘表面划出一个圆形轨迹，这些圆形轨迹就叫做磁道。 磁盘上的磁道是一组记录密度不同的同心圆

扇区（sector）：磁盘上的每个磁道被等分为若干个弧段，这些弧段便是硬盘的扇区。硬盘的第一个扇区，叫做引导扇区。 一个扇区的大小为512个字节。

柱面（cylinder）：在有多个盘片构成的盘组中，由不同盘片的面，但处于同一半径圆的多个磁道组成的一个圆柱面。

平均寻道时间：平均寻道时间，它是了解硬盘性能至关重要的参数之一。它是指硬盘在接收到系统指令后，磁头从开始移动到移动至数据所在的磁道所花费时间的平均值，它一定程度上体现硬盘读取数据的能力，是影响硬盘内部数据传输率的重要参数，单位为毫秒（ms）。不同品牌、不同型号的产品其平均寻道时间也不一样，但这个时间越低，则产品越好。

平均延迟时间：首先，读写头沿径向移动，移到要读取的扇区所在磁道的上方，这段时间称为寻道时间（seek time）。读写头起始位置与目标位置之间的距离不同，寻道时间也不同，一般为2－－30毫秒，平均约为10毫秒。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。

虚拟内存：虚拟内存不只是“用磁盘空间来扩展物理内存”的意思——这只是扩充内存级别以使其包含硬盘驱动器而已。把内存扩展到磁盘只是使用虚拟内存技术的一个结果，它的作用也可以通过覆盖或者把处于不活动状态的程序以及它们的数据全部交换到磁盘上等方式来实现。对虚拟内存的定义是基于对地址空间的重定义的，即把地址空间定义为“连续的虚拟内存地址”，以借此“欺骗”程序，使它们以为自己正在使用一大块的“连续”地址。许多计算机支持虚拟内存机制，该机制使计算机可以运行大于物理内存的程序，方法是将正在使用的程序放入内存取执行，而暂时不需要执行的程序放到磁盘的某块地方，这块地方成为虚拟内存，在linux中成为swap，这种机制的核心在于快速地映射内存地址，由cpu中的一个部件负责，成为存储器管理单元(Memory Management Unit MMU)。从一个程序切换到另外一个程序，成为上下文切换(context switch),缓存和MMU的出现提升了系统的性能，尤其是上下文切换。PS：这一部分我理解的不太好但老师总结的很容易理解，直接复制了，不好意思。

MMU：内存管理单元（英语：memory management unit，缩写为MMU），它是一种负责处理中央处理器（CPU）的内存访问请求的计算机硬件。它的功能包括虚拟地址到物理地址的转换（即虚拟内存管理）、内存保护、中央处理器高速缓存的控制，在较为简单的计算机体系结构中，负责总线的仲裁以及存储体切换。

5.磁带：计算机带作为数字信息的存贮具有容量大、价格低的优点。主要大量用于计算机的外存贮器。如今仅在专业设备上使用。可携带。

6.设备驱动与控制器（I/O）

设备驱动：驱动程序一般指的是设备驱动程序（Device Driver），是一种可以使计算机和设备通信的特殊程序。相当于硬件的接口，操作系统只有通过这个接口，才能控制硬件设备的工作，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。假如某设备的驱动程序未能正确安装，便不能正常工作。

因此，驱动程序被比作“ 硬件的灵魂”、“硬件的主宰”、和“硬件和系统之间的桥梁”等。

控制器：设备控制器是计算机中的一个实体，其主要职责是控制一个或多个I/O设备，以实现I/O设备和计算机之间的数据交换。它是CPU与I/O设备之间的接口，它接收从CPU发来的命令，并去控制I/O设备工作，以使处理机从繁杂的设备控制事务中解脱出来。

7.总线与南桥和北桥

北桥即PCI桥：连接高速设备

南桥即ISA桥：连接慢速设备

总线：总线由早年的单总线发展到现在的多总线，处理I/0和CPU到存储器的更快。

8.操作系统的启动流程

1.读取BIOS

2.设备自检

3.启动顺序

4.主引导记录

5.硬盘启动

6.操作系统

9.应用程序的启动流程

开机等待操作系统加载完毕，连接输入设备、输出设备，双击应用程序，打开完毕。

控制器（I/O）

设备驱动：驱动程序一般指的是设备驱动程序（Device Driver），是一种可以使计算机和设备通信的特殊程序。相当于硬件的接口，操作系统只有通过这个接口，才能控制硬件设备的工作，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。假如某设备的驱动程序未能正确安装，便不能正常工作。

因此，驱动程序被比作“ 硬件的灵魂”、“硬件的主宰”、和“硬件和系统之间的桥梁”等。

控制器：设备控制器是计算机中的一个实体，其主要职责是控制一个或多个I/O设备，以实现I/O设备和计算机之间的数据交换。它是CPU与I/O设备之间的接口，它接收从CPU发来的命令，并去控制I/O设备工作，以使处理机从繁杂的设备控制事务中解脱出来。

7.总线与南桥和北桥

北桥即PCI桥：连接高速设备

南桥即ISA桥：连接慢速设备

总线：总线由早年的单总线发展到现在的多总线，处理I/0和CPU到存储器的更快。

8.操作系统的启动流程

1.读取BIOS

2.设备自检

3.启动顺序

4.主引导记录

5.硬盘启动

6.操作系统

9.应用程序的启动流程

开机等待操作系统加载完毕，连接输入设备、输出设备，双击应用程序，操作系统加载应用程序到内存，交给CPU处理，打开完毕。