NO.1 Day 计算机基础

计算机基础

1.编程语言的作用及与操作系统和硬件的关系

编程语言是程序员与计算机之间沟通的媒介。

一套完整的计算机系统分为计算机硬件、操作系统和软件三部分。编程语言开发的结果为软件。软件的运行在操作系统之上，操作系统运行与硬件之上，并控制硬件。操作系统为软件的运行提供了一个简单方便的借口。

2.计算机的硬件介绍

计算机主要由CPU、内存和I/O设备组成，并由一条系统总线（BUS）连接起来并通过总线与其他设备通信。

CPU：计算机的大脑，负责运算。

内存：存储数据，但是不能永久存储，容量小，读写速度快。

硬盘：能永久存储，容量大，读写速度慢。

数据的读写顺序：数据写入硬盘，传到内存，再由内存读入CPU，被分析执行。

3.cpu与寄存器

CPU：从内存中取指令-》解码-》执行     由于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，所以需要寄存器。

寄存器：再CPU内部用来保存关键变量和临时数据。

寄存器分为：通用寄存器，程序计数器，堆栈指针，程序状态字寄存器（PSW）。

4.内核态与用户态及如何切换

多数CPU有用户态和内核态两种模式。通常，PSW中有一个二进制位去控制这两种模式。

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）

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。

内核态与用户态切换　　

在使用软件中一定有操作硬件的需求，就需要从用户态切换到内核态。用户程序必须使用系统调用（system call），TRAP指令可以将用户态切换到内核态。并启用操作系统并获得服务。

5.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：即寄存器，与CPU的材质相同，CPU访问无延迟。

L2缓存：即高速缓存，存放近来经常使用的内存字。CPU对L2的访问则有1-2个时钟周期（即1-2ns）的延迟。

内存RAM：通常说的主存，易失性，断电数据全部丢失。

ROM：只能读不能写，断电后数据不会丢失。

EEPROM和闪存：非易失性的，与ROM相反，它可以擦除和重写。闪存可用于固态硬盘。速度介于RAM和磁盘之间。

CMOS与BIOS电池：CMOS存储器是易失性的，经常用来存储时间和日期，它由一块电池驱动供电。CMOS还可以用来保存配置的参数，比如哪一块是启动磁盘。

6.磁盘结构，平均寻道时间，平均延迟时间，虚拟内存与MMU

磁盘结构：

每个磁头可以读取一段换新区域，称为磁道

把一个戈丁手臂位置上所以的磁道合起来，组成一个柱面

每个磁道划成若干扇区，扇区典型的值是512字节

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，找到了磁道就找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

虚拟内存：许多计算机支持虚拟内存机制，可以使计算机运行大于其物理内存的程序。方法是将正在运行的程序放入内存去执行，暂时不需要执行的程序放入到磁盘的某个位置，这个位置称为虚拟内存。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，称为存储器管理单元(Memory Management Unit MMU)

7.磁带

磁带比磁盘价格便宜，容量大，易于移动，经常用来备份。但速度低于磁盘。

8.设备驱动与控制器

I/O设备一般包括设备控制器与设备本身两部分。

控制器：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。

设备驱动：有了控制器，调用设备还需要设备驱动，要想调用设备必须将设备驱动程序安装到操作系统上。

9.总线与南桥和北桥

总线：将计算机各个部分连接起来协同工作，随着处理器和存储器速度越来越快，单总线很难处理总线的交通流量了，于是出现了下图的多总线模式，他们处理I/O设备及cpu到存储器的速度都更快。

北桥：PCI桥，连接高速设备

南桥：ISA桥，连接慢速设备

10.操作系统的启动流程

• 计算机加电
• BIOS开始运行，检测硬件：cpu、内存、硬盘等
• BIOS读取CMOS存储器中的参数，选择启动设备
• 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）
• 根据分区信息读入bootloader启动装载模块，启动操作系统
• 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

应用程序的启动流程

点击事件-映射应用程序真实位置-加载到内存-CPU执行