硬件

作為一名即將統治世界的程序員，我們可以用我們指間的力量改變世界，但總而言之也要懂一些底層的東西嘛。

程序員編程的本質就是讓計算機去工作，而編程語言就是程序員與計算機溝通的介質

程序員要想讓計算機工作，必須知道計算機能幹什麽，怎麽幹的，這也就是我們必須學習計算機基礎的原因。

　　一套完整的計算機系統分為：計算機硬件，操作系統，軟件（程序員開發的就是軟件），如下圖。因而我們的python編程之路分為計算機硬件基礎，操作系統基礎，和python編程三部分，就讓我們先從計算機硬件學起吧！

　　好了不說廢話了，一起來學習吧！

編程語言就是程序員與計算機溝通的介質 應用程序通過操作系統來控制硬件

一臺簡單的計算機可以抽象成CPU、內存以及I/O設備都由一條系統總線（bus）連接起來並通過總線與其他設備通信

理解各部分功能的一個簡單的方法是，把計算機各部分組件往人的身上套，比如

cpu是人的大腦，負責運算

內存是人的記憶，負責臨時存儲

硬盤是人的筆記本，負責永久存儲

輸入設備是耳朵或眼睛，負責接收外部的信息傳給cpu

輸出設備是你的表情，負責經過處理後輸出的結果

以上所有的設備都通過總線連接，總線相當於人的神經

計算機硬件有處理器、存儲器、磁盤、磁帶、總線、

處理器

計算機的大腦cpu，他從內存中取指令->解碼->執行，然後再取指->解碼->執行下一條指令，周而復始，直至整個程序被執行完成。

因為內存訪問數據的時間遠遠大於cpu等待指令的時間，所以所有CPU內部都有一些用來保存關鍵變量和臨時數據的寄存器 對於開發人員來說最後一中寄存器最為重要，這個寄存器包含了條碼位(由比較指令設置)、CPU優先級、模式（用戶態或內核態），以及各種其他控制位。用戶通常讀入整個PSW，但是只對其中少量的字段寫入。在系統調用和I/O中，PSW非常非常非常非常非常非常重要.

處理器的設計和改變

1.最開始取值、解碼、執行這三個過程是同時進行的，這意味著任何一個過程完成都需要等待其余兩個過程執行完畢，時間浪費

2.後來被設計成了流水線式的設計，即執行指令n時，可以對指令n+1解碼，並且可以讀取指令n+2,完全是一套流水線。

3.超變量cpu，比流水線更加先進，有多個執行單元，可以同時負責不同的事情，比如看片的同時，聽歌，打遊戲。

兩個或更多的指令被同時取出、解碼並裝入一個保持緩沖區中，直至它們都執行完畢。只有有一個執行單元空閑，就檢查保持緩沖區是否還有可處理的指令。

這種設計存在一種缺陷，即程序的指令經常不按照順序執行，在多數情況下，硬件負責保證這種運算結果與順序執行的指令時的結果相同。

　　CPU的兩種工作狀態

內核態與用戶態

內核態

　　當cpu在內核態運行時，cpu可以執行指令集中所有的指令，很明顯，所有的指令中包含了使用硬件的所有功能，（操作系統在內核態下運行，從而可以訪問整個硬件）

用戶態

　　用戶程序在用戶態下運行，僅僅只能執行cpu整個指令集的一個子集，該子集中不包含操作硬件功能的部分，因此，一般情況下，在用戶態中有關I/O和內存保護（操作系統占用的內存是受保護的，不能被別的程序占用），當然，在用戶態下，將PSW中的模式設置成內核態也是禁止的。

用戶態與內核態切換

　　用戶態不能夠直接調用硬件來進行操作，但是生活中總會遇到，比如你點開一個播放器他是如何播放的呢？——用戶程序當需要調用硬件來使用時，通過特定的指令——系統調用來實現，通過用戶態轉變成內核態來調用硬件來使用的。

存儲器

　　多線程和多核芯片

L1

I.第一步增強：在cpu芯片中加入更大的緩存，一級緩存L1，用和cpu相同的材質制成，cpu訪問它沒有時延

II.第二步增強：一個cpu中的處理邏輯增多，intel公司首次提出，稱為多線程（multithreading）或超線程（hyperthreading），對用戶來說一個有兩個線程的cpu就相當於兩個cpu，我們後面要學習的進程和線程的知識就起源於這裏，進程是資源單位而線程才是cpu的執行單位。

多線程運行cpu保持兩個不同的線程狀態，可以在納秒級的時間內來回切換，速度快到你看到的結果是並發的，偽並行的，然而多線程不提供真正的並行處理，一個cpu同一時刻只能處理一個進程（一個進程中至少一個線程）

III.第三步增強：除了多線程，還出現了傲寒2個或者4個完整處理器的cpu芯片，如下圖。要使用這類多核芯片肯定需要有多處理操作系統

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　以上是兩家主流cpu

計算機中第二重要的就是存儲了，所有人都意淫著存儲：速度快（這樣cpu的等待存儲器的延遲就降低了）+容量大+價錢便宜。然後同時兼備三者是不可能的，所以有了如下的不同的處理方式

存儲器系統采用如上圖的分層結構，頂層的存儲器速度較高，容量較小，與底層的存儲器相比每位的成本較高，其差別往往是十億數量級的

　　寄存器即L1緩存：

用與cpu相同材質制造，與cpu一樣快，但價格高昂，不適合大規模使用

　　高速緩存即L2緩存：

高速緩存L2是一種介於寄存器和內存之間的產物，他的速度快於內存慢於寄存器，造價適中。

　　緩存是一個好方法，在現代cpu中設計了兩個緩存，再看4.1中的兩種cpu設計圖。第一級緩存稱為L1總是在CPU中，通常用來將已經解碼的指令調入cpu的執行引擎，對那些頻繁使用的數據自，多少芯片還會按照第二L1緩存 。。。另外往往設計有二級緩存L2，用來存放近來經常使用的內存字。L1與L2的差別在於對cpu對L1的訪問無時間延遲，而對L2的訪問則有1-2個時鐘周期（即1-2ns）的延遲。

內存：

內存是計算機必不可少的存儲設備，他可以運行大於他的軟件，在服務器中通常還有交換分區swap，主存的易失性存儲，斷電後保存的數據會消失。市面上還有一種內存ROM，是一種只讀不易失的，還有EEPROM 電可察rom還有閃存可多次rw的存儲設備，還有cmos，紐扣電磁，他是存儲主板時間的，一塊可用5-6年。

磁盤

磁盤低速的原因是因為它一種機械裝置，在磁盤中有一個或多個金屬盤片，它們以5400，7200或10800rpm（RPM =revolutions per minute 每分鐘多少轉 ）的速度旋轉。從邊緣開始有一個機械臂懸在盤面上，這類似於老式黑膠唱片機上的拾音臂。信息卸載磁盤上的一些列的同心圓上，是一連串的2進制位（稱為bit位），為了統計方法，8個bit稱為一個字節bytes，1024bytes=1k，1024k=1M，1024M=1G,所以我們平時所說的磁盤容量最終指的就是磁盤能寫多少個2進制位。

每個磁頭可以讀取一段換新區域，稱為磁道

把一個戈丁手臂位置上所以的磁道合起來，組成一個柱面

每個磁道劃成若幹扇區，扇區典型的值是512字節

　　數據都存放於一段一段的扇區，即磁道這個圓圈的一小段圓圈，從磁盤讀取一段數據需要經歷尋道時間和延遲時間

平均尋道時間

機械手臂從一個柱面隨機移動到相鄰的柱面的時間成為尋到時間，找到了磁道就以為著招到了數據所在的那個圈圈，但是還不知道數據具體這個圓圈的具體位置

磁帶

磁帶是一種大容量存儲設備，他價格低廉，存儲量大，是一些企業容災備份的首選，缺點是I/O速度慢。

總線

四小節中的結構在小型計算機中沿用了多年，並也用在早期的IBM PC中。但是隨著處理器和存儲器速度越來越快，單總線很難處理總線的交通流量了，於是出現了下圖的多總線模式，他們處理I/O設備及cpu到存儲器的速度都更快。

北橋即PCI橋：連接高速設備

南橋即ISA橋：連接慢速設備

操作系統啟動流程

下三層設備啟動流程

接通電源。bios運行---硬件加電自檢--讀取cmos，選擇啟動項。讀入bootloader啟動裝載模塊，啟動操作系統。bios--mbr--bootloader--grub--kernel

應用程序啟動流程

上三層設備啟動流層

　　應用層序調用操作系統，操做系統找到層序所在硬盤，加載到內存， cpu用戶態，內核態相互轉化 調用硬件。

計算機基礎——硬件