计算机基础知识

Posted 2020-11-02 上帝不玩骰子

一、为何要学习计算机基础？

           好多人觉得自己有点基础就都想着直接敲代码，觉得基础知识很容易，很简单，就不怎么用心去学。然而，我觉得基础知识很重要。就像盖一栋楼房一样，你先要打好地基，再去盖房。  　　

　　　Python是一门编程语言，即通俗一点说就是语言。

　　　我们都知道世界上有很多种语言，比如：汉语，英语，阿拉伯语等等众多的语言。要想用这些语言去和人沟通，如果你想和英国人说话，你必须得会英语吧。而我们的计算机也有它自己的语言，你要想让计算机帮助我们做事情，你就需要和它沟通吧。那你就得懂得计算机语言吧，也就是编程。当然计算机也有很多语言，比如：C，Java，php，Python，C#等。所以我们就先从学习基础知识开始。也有人说学习基础理论知识很枯燥，但是，那还是得学。你要把它当成自己的兴趣，一点一点的去投入它，相信你会是很棒的。

　　  程序用编程语言来写程序，最终开发的结果就是一个软件。就像大家都知道的QQ，腾讯视频，酷狗音乐等一系列软件。这些软件要想运行必须得有系统控制它吧。当然，有人会问：为什么要用操作系统呢？当然，很久以前的那些程序员确实是在没有操作环境下，编程语言是操作硬件来编写的。你可能觉得没问题，但是其实问题很严重。如果一直像以前那样会严重影响效率的。操作系统是出现在硬件之上的，是用来控制硬件的。所以，我们开发时只需要调用操作系统为我们提供的简单的接口就可以了。

如上图所示，我把计算机的系统分为了上面三大块。硬件，操作系统，应用程序。要想学习软件知识，我想那些硬件的知识或多或少还是得了解点的，现在我们就来谈谈硬件一类的知识。

二、计算机硬件介绍

    1. 硬件的目的：为了运行软件给它的一些指令。我们可以优先从硬件中提取出这三个主要的东西，分别是： CPU，内存，硬盘

       2. 在现实生活中，人脑是用来计算的，在计算机中，用来计算的是什么呢？当然是CPU了。多数CPU都有两种模式，即内核态与用户态。这里的即内核态与用户态将会在下面的内容中讲到。

       3.如果我们把计算机理解为人的大脑，我们可以总结为几句话：

           　　　　CPU是人的大脑，负责运算

　　  　　　　内存是人的记忆，负责临时存储

　　  　　　　硬盘是人的笔记本，负责永久存储

　　　　　　  输入设备是人的耳朵或眼睛，负责接受外部的信息传给CPU

　　　　　　  以上所有的设备都通过总线连接，总线相当于人的神经

三、处理器（寄存器及内核态与用户态切换）

　　 1.计算机的大脑是CPU，它从内存中取指令-▶解码-▶执行，然后在取指令，解码，执行，周而复始，直至整个程序被执行完成。

　　　2. 寄存器是一个存储设备，最快的一种存储设备就是寄存器。

      3.寄存器的分类

　　　　　　①通用寄存器：用来保存变量和临时结果的。

　　　　　　②程序计数器：它保存了将要取出的下一条指令的内存地址。在指令取出后，程序计算器就被更新以便执行后期的指令

　　　　　　③堆栈指针：它指向内存中当前栈的顶端。该栈包含已经进入但是还没有退出的每个过程中的一个框架。在一个过程的堆栈框架中保存了有关的输入参数、局部变量以及那些没有保存在寄存器中的临时变量

　　　　　　④程序状态字寄存器（Program Status Word,简称PSW）：这个寄存器包含了条码位(由比较指令设置)、CPU优先级、模式（用户态或内核态），以及各种其他控制位。用户通常读入整个PSW，但是只对其中少量的字段写入。在系统调用和I/O中，PSW非常重要。

　　  4.内核态与用户态

       多数CPU都有两种模式，即内核态与用户态。  　　　　　　

　　　　①当cpu处于内核状态时，运行的是操作系统，能控制硬件（可以获取所有cpu的指令集）　　　　　

　　　　②当cpu处于用户太状态时，运行的是用户软件，不能控制硬件（可以获取所有cpu的指令集中的一个子集，该子集不包括操作硬件的指令集）

　　　这里有些人可能会含糊什么是内核态，什么是用户态？下面我来解释一下：

　　　　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，很明显，所有的指令中包含了使用硬件的所有功能，（操作系统在内核态下运行，从而可以访问整个硬件）所以，归根结底通俗一点的话也就是上面①解释的那样

　　　　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，因此，一般情况下，在用户态中有关I/O和内存保护（操作系统占用的内存是受保护的，不能被别的程序占用），当然，在用户态下，将PSW中的模式设置成内核态也是禁止的。

　　5.内核态与用户态切换

      用户态下工作的软件是不能之间操作硬件的，但是像我们的一些软件，比如暴风音影啊一类的软件，我们要想从磁盘中读取一个电影文件，那就得从用户态切换成内核态，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。

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

       1.  计算机中第二重要的就是存储了，所有人都意淫着存储：速度快（这样cpu的等待存储器的延迟就降低了）+容量大+价钱便宜。然后同时兼备三者是不可能的，所以有了如下的不同的处理方式

由上图可以很清楚的看见寄存器存储是速度非常快的，但是它的容量却很少。下来就是高速缓存了。我就不一一介绍了，我相信大家应该可以看得懂这个图。

　2.寄存器即L1缓存：用与cpu相同材质制造，与cpu一样快，因而cpu访问它无时延，典型容量是：在32位cpu中为32*32，在64位cpu中为64*64，在两种情况下容量均<1KB。

   3.高速缓存即L2缓存：主要由硬件控制高速缓存的存取，内存中有高速缓存行按照0~64字节为行0，64~127为行1。。。最常用的高速缓存行放置在cpu内部或者非常接近cpu的高速缓存中。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。

   4.内存：主存通常称为随机访问存储RAM，就是我们通常所说的内存，容量一直在不断攀升，所有不能再高速缓存中找到的，都会到主存中找，主存是易失性存储，断电后数据全部消失

   5.EEPROM（Electrically Erasable PROM，电可擦除可编程ROM）和闪存（flash memory）也是非易失性的。还有一类存储器就是CMOS，它是易失性的，许多计算机利用CMOS存储器来保持当前时间和日期。CMOS存储器和递增时间的电路由一小块电池驱动，所以，即使计算机没有加电，时间也仍然可以正确地更新，除此之外CMOS还可以保存配置的参数，比如，哪一个是启动磁盘等，之所以采用CMOS是因为它耗电非常少，一块工厂原装电池往往能使用若干年，但是当电池失效时，相关的配置和时间等都将丢失。

 

 

五、磁盘

1.磁盘由磁头，磁道，扇区组成的。

2.磁道：每个磁头可以读取一段换新区域。把一个戈丁手臂位置上所以的磁道合起来，组成一个柱面

3.每个磁道划成若干扇区，扇区典型的值是512字节。

4.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，那么什么是寻道时间和延迟时间呢？

    平均寻道时间：机械手臂从一个柱面随机移动到相邻的柱面的时间成为寻到时间，找到了磁道就以为着招到了数据所在的那个圈圈，但是还不知道数据具体这个圆圈的具体位置

    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

 

六、磁带

1.有些人会想磁带是用来干什么的呢？当然，它也是内存之一，是用来存储东西的，它的存储量是相当大的，而且价钱也便宜。当遇上火灾等紧急情况时，可以用磁带来存储我们的重要文件。常常用来做备份（常见于大型数据库系统中）。但是，它也有缺点，就是运行速度特别慢，效率低。

2.cpu和存储器并不是操作系统唯一需要管理的资源，I/O设备也是非常重要的一环。I/O设备一般包括两个部分：设备控制器和设备本身。

控制器的功能：通常情况下对设备的控制是非常复杂和具体的，控制器的任务就是为操作系统屏蔽这些复杂而具体的工作，提供给操作系统一个简单而清晰的接口

设备本身：有相对简单的接口且标准的，这样大家都可以为其编写驱动程序了。要想调用设备，必须根据该接口编写复杂而具体的程序，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。

七、总线

　　　　北桥即PCI桥：连接高速设备

　　　  南桥即ISA桥：连接慢速设备

八、操作系统的启动流程

　　1.计算机加电

　　2.Bios开始运行，检测硬件：cpu、内存、硬盘等

　　3.BIOS读取CMOS存储器中的参数，选择启动设备

　　4.从启动设备上读取第一个扇区的内容（MBR主引导记录512字节，前446为引导信息，后64为分区信息，最后两个为标志位）

　　5.根据分区信息读入bootloader启动装载模块，启动操作系统

　　6.然后操作系统询问BIOS，以获得配置信息。对于每种设备，系统会检查其设备驱动程序是否存在，如果没有，系统则会要求用户按照设备驱动程序。一旦有了全部的设备驱动程序，操作系统就将它们调入内核。然后初始有关的表格（如进程表），穿件需要的进程，并在每个终端上启动登录程序或GUI

九、应用程序的启动流程

　　1.双击快捷方式

　　2.告诉操作系统一个文件路径

　　3.操作系统从硬盘读取文件到内存中

　　4.cpu从内存中读取数据执行

 

操作系统发展史及多道技术

　　1.第一代计算机（1940~1955）：真空管和穿孔卡片

　　　　特点：没有操作系统的概念，所有的程序设计都是直接操控硬件。

　　　　优点：每个人独享，可以自己调试代码，找到bug。

　　　　缺点：浪费计算机资源。

　　2.第二代就算机（1955~1965）：晶体管和批处理系统

　　　　特点：把代码都赞到一块，让一个CPU共享，但是还是一个一个的去运行，还是顺序算法（串行）
　　　　优点：批处理，节省了机时。
　　　　缺点：有人的参与了，搬过来搬过去的麻烦，拖慢程序运行的速度

　　3.第三代计算机（1965~1980）：集成电路芯片和多道程序设计

　　　　第三代计算机的操作系统广泛应用了第二代计算机的操作系统没有的关键技术：多道技术

　　　　多道技术:（指的是多道/个程序）
 　　　　　　1.空间上的复用：内存要支持同时跑进多个程序
 　　　　　　2.时间上的复用：多个程序要让它们能切换（什么时候要切？一个程序占用的时间过长要切；当CPU遇到IO阻塞时，等待的时间要切）

　　4.第四代计算机（1980~至今）：个人计算机

 为什么要使用操作系统呢？

程序员无法把所有的硬件操作细节都了解到，管理这些硬件并且加以优化使用是非常繁琐的工作，这个繁琐的工作就是操作系统来干的，有了他，程序员就从这些繁琐的工作中解脱了出来，只需要考虑自己的应用软件的编写就可以了，应用软件直接使用操作系统提供的功能来间接使用硬件。

操作系统的两大作用

　　1.为应用程序提供如何使用硬件资源的抽象

　　2.把多个程序对硬件的竞争变得有序化（管理应用程序）

计算机语言的分类

 　　机器语言：
 　　　　特点：用计算机能看懂的0和1去写程序
 　　　　优点：程序运行速度快
 　　　　缺点：开发效率低
　　汇编语言：
 　　　　特点：用一些英文标签代替一串二进制数字去写程序
 　　　　优点：比机器语言好一点，操作系统内使用大量汇编语言（操作系统不需要网络，则速度越来越好）
     　　   比如：关于进程的调用代码，就是用汇编语言写的
 　　　　缺点：开发效率低
　　高级语言：
 　　　　特点：用人能读懂的（英文）字符去写程序
 　　　　优点：开发效率高
 　　　　缺点：运行速度慢，必须经过翻译才能让计算机识别，导致运行速度慢
　　以上得出结论：开发效率从低到高，运行速度从低到高，学习难度由难到易。

 

网络基础

1.网络指的是什么？

　　计算机与计算机之间通过物理链接介质（网络设备）连接到一起。

　　计算机与计算机之间基于网络协议通信（网络协议就相当于计算机界的英语）

2.osi七层协议：

互联网协议按照功能不同分为osi七层或tcp/ip五层或tcp/ip四层

 

每层运行常见物理设备：

 

 

五层模型讲解

物理层：由来：计算机和计算机之间要想通信，就必须接入internet，言外之意就是计算机之间必须完成组网。

　　　    　功能：主要基于电器特性发送高低电压，高电压对应数字1，低电压对应数字0（提供电信号）

数据链路层：

　　　　   1.由来：单纯的电信号0和1没有任何意义，必须规定电信号多少位

　　　　   2.功能：定义了电信号的分组方式

　　　　   3.以太网协议ethernet:早期的时候各个公司都有自己的分组方式，后来形成了统一的标准，即以太网协议ethernet

　　　　   4.以太网协议ethernet规定：

　　　　　　1.一组电信号构成一个数据包，叫做“帧”

　　　　　　2.每一数据帧分成：报头head和数据data两部分

　　　　　　　　　　head包含：发送者/源地址，6个字节

　　　　　　　　　　                   接受者/目标地址，6个字节

　　　　　　　　　　                   数据类型：6个字节

　　　　　　　　　　data包含：数据包的具体内容（最短64字节，最长1500字节）

　　　　5.mac地址：ethernet规定接入internet的设备都必须具备网卡，发送端和接收端的地址便是指网卡的地址，即mac地址。

　　　　6.广播：有了mac地址，同一网络内的两台机器就可以通信了（一台主机通过arpmac协议获取另外一台主机的mac地址）

网络层：

　　　1.由来：有了ethernet，mac地址，广播的发送方式，计算机与计算机之间就可以通信了，问题是世界范围的互联网由一个个彼此隔离的小的局域网组成的，那么发送一条消息全世界都能收到，这样会导致效率很低了。所以，必须找到一种方法来区分计算机是在局域网还是不在局域网里。如果在同一个局域网里，就采用广播的方式发送，如果不是，就采用路由的方式。

　　　2.功能：引入一套新的地址用来区分不同的广播域/子网，这套地址即网络地址。

　　   3. IP地址：规定网络地址的协议叫ip地址，广泛采用V4版本即ipv4，它规定网络地址由32位二进制表示

               范围：0.0.0.0-255.255.255.255

　　　　 一个ip地址通常写成四段十进制数，例：172.16.10.1

　　   4.子网掩码：所谓”子网掩码”，就是表示子网络特征的一个参数。它在形式上等同于IP地址，也是一个32位二进制数字，它的网络部分全部为1，主机部分全部为0。比如，IP地址172.16.10.1，如果已知网络部分是前24位，主机部分是后8位，那么子网络掩码就是11111111.11111111.11111111.00000000，写成十进制就是255.255.255.0。

　　　　知道”子网掩码”，我们就能判断，任意两个IP地址是否处在同一个子网络。方法是将两个IP地址与子网掩码分别进行AND运算（两个数位都为1，运算结果为1，否则为0），然后比较结果是否相同，如果是的话，就表明它们在同一个子网络中，否则就不是。

　　   5.arp协议：就是讲IP地址解析成mac地址。

传输层：

　　 1. 由来：我们通过ip地址和mac地址找到了一台特定的主机，如何标识这台主机上的应用程序，答案就是端口。端口即应用程序与网卡关联的编号。

　　   2. 功能：建立端口到端口的通信。

　　　3.TCP：通过双向链接，客户端向服务端发送消息后，等待服务端回复消息后才算发送成功。

　　　　　　缺点：速度慢

　　　　　　优点：可靠（可靠在对方要回应一个包确保发送成功）

　　　4.UDP： 没有链接，直接发送。

 

　　　　　　 缺点：不可靠

　　　　　　 优点：速度快

　　　 5.三次握手（连接）和四次挥手（断开）：

　　　　　　三次握手的目的：建立双向通信链路。SYN代表客户端向服务端发送的一个请求，ACK代表服务端向客户端发送的回应。

　　　　　　三次握手就像谈恋爱确定关系一样，四次挥手就像分手一样。此处只是打比方而已。

 

应用层：

　　　由来：用户使用的都是应用程序，均工作于应用层，互联网是开发的，大家都可以开发自己的应用程序，数据多种多样，必须规定好数据的组织形式 

   　　功能：规定应用程序的数据格式。

URI（uri）地址:例如

　　　　http://www.cnblogs.com

以上网址有三部分构成：

　　　协议部分：http://    应用层的协议

　　    域名：www.cnblogs.com

　　　资源：haiyan123