data 1 （05/18）计算机基础系列

Posted 2020-09-18

一、编程语言的作用及与操作系统和硬件的关系

     编程语言可以用来写操作系统，且编程语言开发的软件要通过操作系统进行运行；而操作系统是用来控制计算机硬件的，操作系统运行在硬件上面，当我们用编程语言进行研发时，只需要控制操作系统即可。

二、应用程序-》操作系统-》硬件

     计算机=应用程序+操作系统+硬件；可将计算机分为三层，自而向上分别为：应用程序→操作系统→硬件。

     硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五个逻辑部件组成。计算机运行时，运算器的操作和操作种类由控制器决定。运算器处理的数据来自存储器；处理后的结果数据通常送回存储器，或暂时寄存在运算器中。与Control Unit共同组成了CPU的核心部分。

     控制器（Control Unit），是整个计算机系统的控制中心，它指挥计算机各部分协调地工作，保证计算机按照预先规定的目标和步骤有条不紊地进行操作及处理。控制器从存储器中逐条取出指令，分析每条指令规定的是什么操作以及所需数据的存放位置等，然后根据分析的结果向计算机其它部件发出控制信号，统一指挥整个计算机完成指令所规定的操作。计算机自动工作的过程，实际上是自动执行程序的过程，而程序中的每条指令都是由控制器来分析执行的，它是计算机实现“程序控制”的主要设备。 
　　通常把控制器与运算器合称为中央处理器（Central Processing Unit，CPU）。工业生产中总是采用最先进的超大规模集成电路技术来制造中央处理器，即CPU芯片。它是计算机的核心设备。它的性能，主要是工作速度和计算精度，对机器的整体性能有全面的影响。

      存储器（Memory）是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。计算机中全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。

      输入设备：向计算机输入数据和信息的设备。是计算机与用户或其他设备通信的桥梁。输入设备是用户和计算机系统之间进行信息交换的主要装置之一。键盘，鼠标，摄像头，扫描仪，光笔，手写输入板，游戏杆，语音输入装置等都属于输入设备。

      输出设备（Output Device）是计算机的终端设备，用于接收计算机数据的输出显示、打印、声音、控制外围设备操作等。也是把各种计算结果数据或信息以数字、字符、图像、声音等形式表示出来。

三、cpu-》内存-》磁盘

     CPU处理数据，磁盘储存数据，内存负责连接CPU和磁盘，存储临时使用的数据；从运行速度方面来说，CPU>内存>硬盘。CPU和内存决定电脑运行的快慢，磁盘决定存储东西的多少；CPU是运行总指挥，负责发指令和调控，内存是数据执行者，根据指令工作，磁盘是负责数据保存。

四、cpu与寄存器，内核态与用户态及如何切换

      因访问内存以得到指令或数据的时间比cpu执行指令花费的时间要长得多，所以，所有CPU内部都有一些用来保存关键变量和临时数据的寄存器。

寄存器分为通用寄存器、程序计数器、堆栈指针以及程序状态寄存器。

内核态与用户态：大多数CPU都有两种模式，即内核态与用户态。

　   内核态：当cpu在内核态运行时，cpu可以执行指令集中所有的指令，也就是说，操作系统在内核态下运行，从而可以访问整个硬件。

       用户态：用户程序在用户态下运行，仅仅只能执行cpu整个指令集的一个子集，该子集中不包含操作硬件功能的部分。

      内核态与用户态切换：这两种状态是CPU的两种工作状态，用户态下工作的软件不能操作硬件，但是我们的软件比如暴风影音，一定会有操作硬件的需求，比如从磁盘上读一个电影文件，那就必须经历从用户态切换到内核态的过程，为此，用户程序必须使用系统调用（system call），系统调用陷入内核并调用操作系统，TRAP指令把用户态切换成内核态，并启用操作系统从而获得服务，用户态和内核态常常不断进行切换。

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

      L1缓存，一级缓存即L1 Cache。集成在CPU内部中，用于CPU在处理数据过程中数据的暂时保存。由于缓存指令和数据与CPU同频工作，L1级高速缓存缓存的容量越大，存储信息越多，可减少CPU与内存之间的数据交换次数，提高CPU的运算效率。

      L2缓存位于CPU与内存之间的临时存储器，容量比内存小但交换速度快，二级缓存容量大小决定了cpu的性能。

        内存（RAM），内存储器是计算机中重要的部件之一，它是与CPU进行沟通的桥梁。计算机中所有程序的运行都是在内存储器中进行的，因此内存储器的性能对计算机的影响非常大。内存储器(Memory)也被称为内存，其作用是用于暂时存放CPU中的运算数据，以及与硬盘等外部存储器交换的数据。

       EEPROM：电可擦可编程只读存储器--一种掉电后数据不丢失的存储芯片。EEPROM 可以在电脑上或专用设备上擦除已有信息，重新编程。一般用在即插即用。

        闪存（Flash Memory）是一种长寿命的非易失性存储器，即断电数据也不会丢失。

      CMOS，在计算机领域，CMOS常指保存计算机基本启动信息（如日期、时间、启动设置等）的芯片，是一种易失性的一类存储器。

      Bios电池是为cmos供电，以持续保存当前的时间和日期。

 六、磁盘结构，平均寻道时间，平均延迟时间，虚拟内存与MMU

      磁盘由磁头、磁道、扇区、柱面构成。

     平均寻道时间：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）。

     平均延迟时间：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

     虚拟内存与MMU：虚拟内存别称虚拟存储器（Virtual Memory）。电脑中所运行的程序需要由内存执行，若执行的程序占用内存很大或很多，则会导致内存消耗殆尽Windows中运用了虚拟内存[2]  技术，即匀出一部分硬盘空间来充当内存使用。当内存耗尽时，电脑就会自动调用硬盘来充当内存，以缓解内存的紧张。若计算机运行程序或操作所需的随机存储器(RAM)不足时，则 Windows 会用虚拟存储器进行补偿。它将计算机的RAM和硬盘上的临时空间组合。当RAM运行速率缓慢时，它便将数据从RAM移动到称为“分页文件”的空间中。将数据移入分页文件可释放RAM，以便完成工作。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)

      磁带：在价钱相同的情况下比硬盘拥有更高的存储容量，虽然速度低于磁盘，但是因其大容量，在地震水灾火灾时可移动性强等特性，常被用来做备份。（常见于大型数据库系统中）

     设备驱动与控制器：设备驱动是操作系统和输入输出设备间的粘合剂。驱动负责将操作系统的请求传输，转化为特定物理设备控制器能够理解的命令。

     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。

    总线与南桥和北桥：

    总线：它是cpu、内存、输入、输出设备传递信息的公用通道，主机的各个部件通过总线相连接，外部设备通过相应的接口电路再与总线相连接，从而形成了计算机硬件系统。在计算机系统中，各个部件之间传送信息的公共通路叫总线，微型计算机是以总线结构来连接各个功能部件的。

    北桥即PCI桥：连接高速设备，例如：cpu和主存储器

    南桥即ISA桥：连接慢速设备，例如：鼠标和键盘

    操作系统的启动流程：

 1、开机执行BIOS（基本输入输出系统）引导程序，标识和配置所有的即插即用设备，并配置DMA通道；

 2、完成加电自检，测试内存，端口，键盘，视频适配器，磁盘驱动器等基本设备，以及CD-ROM驱动器；对引导驱动器可引导分区定位：在CMOS（complementary metal oxide semiconductor，互补金属氧化物半导体）中，可以自行设置引导顺序，一般顺序是软驱，磁盘，光驱；

 3、加载主引导记录以及引导驱动器的分区表，执行主引导记录MBR，主引导记录在硬盘上找到可引导分区，将其分区引导记录装入内存，并将控制权交给分区引导记录，由分区引导记录定位根目录，然后装入操作系统。

  应用程序的启动流程：当我们要启动某一程序时，计算机会读取程序存储在硬盘的数据，数据被读取，通过操作系统来完成启动，从而使程序正常的运行。