1，編程語言的作用及與操作系統和硬件的關系

編程語言是一種語言，及它和其他的語言一樣，都是用來溝通的介質。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，所以編程語言的作用就是與計算機進行溝通，通過這種語言讓計算機明白你想讓它幹的事情是什麽。

一套完整的計算機系統分為：計算機硬件，操作系統，軟件。而操作系統控制著計算機硬件

2，應用程序-》操作系統-》硬件

應用程序也就是通常所說的軟件，程序用編程語言寫程序，最終開發出的結果就是一個軟件，既然是軟件，那就與騰訊qq、暴風影音、快播等軟件沒有區別了。這些軟件必須運行在操作系統之上，你肯定會問：為何要有操作系統呢？沒錯，遠古時代的程序員確實是在沒有操作系統的環境下，用編程語言之間操作硬件來編程的，你可能覺得這沒有問題，但其實問題是相當嚴重的，因為此時你必須掌握如何操作硬件的所有具體細節，比如如何具體操作硬盤（現在你得把硬盤拆開，然後你能看見的所有的東西，你都得研究明白，因為你編程時要用到它），這就嚴重影響了開發的效率，操作系統的出現就是運行於硬件之上，來控制硬件的，我們開發時，只需要調用操作系統為我們提供的簡單而優雅的接口就可以了。

3，cpu-》內存-》磁盤

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

4，cpu與寄存器，內核態與用戶態及如何切換

計算機的大腦就是CPU，它從內存中取指令->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。

每個cpu都有一套可執行的專門指令集，任何軟件的執行最終都要轉化成cpu的指令去執行。所以Pentium（英特爾第五代x86架構的微處理器）不能執行SPARC（另外一種處理器）的程序。這就好比不同的人腦，對於大多數人類來說，人腦的結構一樣，所以別人會的東西你也都可以會，但對於愛因斯坦的腦子來說，它會的你肯定不會。

因訪問內存以得到指令或數據的時間比cpu執行指令花費的時間要長得多，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，這樣通常在cpu的指令集中專門提供一些指令，用來將一個字（可以理解為數據）從內存調入寄存器，以及將一個字從寄存器存入內存。cpu其他的指令集可以把來自寄存器、內存的操作數據組合，或者用兩者產生一個結果，比如將兩個字相加並把結果存在寄存器或內存中。

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。

內核態與用戶態切換　　

　　用戶態下工作的軟件不能操作硬件，但是我們的軟件比如暴風影音，一定會有操作硬件的需求，比如從磁盤上讀一個電影文件，那就必須經歷從用戶態切換到內核態的過程，為此，用戶程序必須使用系統調用（system call），系統調用陷入內核並調用操作系統，TRAP指令把用戶態切換成內核態，並啟用操作系統從而獲得服務。

　　請把的系統調用看成一個特別的的過程調用指令就可以了，該指令具有從用戶態切換到內核態的特別能力。

5，存儲器系列，L1緩存，L2緩存，內存（RAM），EEPROM和閃存，CMOS與BIOS電池

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，因而cpu訪問它無時延，典型容量是：在32位cpu中為32*32，在64位cpu中為64*64，在兩種情況下容量均<1KB。

高速緩存即L2緩存：

主要由硬件控制高速緩存的存取，內存中有高速緩存行按照0~64字節為行0，64~127為行1。。。最常用的高速緩存行放置在cpu內部或者非常接近cpu的高速緩存中。當某個程序需要讀一個存儲字時，高速緩存硬件檢查所需要的高速緩存行是否在高速緩存中。如果是，則稱為高速緩存命中，緩存滿足了請求，就不需要通過總線把訪問請求送往主存(內存)，這畢竟是慢的。高速緩存的命中通常需要兩個時鐘周期。高速緩存為命中，就必須訪問內存，這需要付出大量的時間代價。由於高速緩存價格昂貴，所以其大小有限，有些機器具有兩級甚至三級高速緩存，每一級高速緩存比前一級慢但是容易大。

　　緩存在計算機科學的許多領域中起著重要的作用，並不僅僅只是RAM（隨機存取存儲器）的緩存行。只要存在大量的資源可以劃分為小的部分，那麽這些資源中的某些部分肯定會比其他部分更頻發地得到使用，此時用緩存可以帶來性能上的提升。一個典型的例子就是操作系統一直在使用緩存，比如，多數操作系統在內存中保留頻繁使用的文件（的一部分），以避免從磁盤中重復地調用這些文件，類似的/root/a/b/c/d/e/f/a.txt的長路徑名轉換成該文件所在的磁盤地址的結果然後放入緩存，可以避免重復尋找地址，還有一個web頁面的url地址轉換為網絡地址(IP)地址後，這個轉換結果也可以緩存起來供將來使用。

　　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：

再往下一層是主存，此乃存儲器系統的主力，主存通常稱為隨機訪問存儲RAM，就是我們通常所說的內存，容量一直在不斷攀升，所有不能再高速緩存中找到的，都會到主存中找，主存是易失性存儲，斷電後數據全部消失

除了主存RAM之外，許多計算機已經在使用少量的非易失性隨機訪問存儲如ROM（Read Only Memory，ROM），在電源切斷之後，非易失性存儲的內容並不會丟失，ROM只讀存儲器在工廠中就被編程完畢，然後再也不能修改。ROM速度快且便宜，在有些計算機中，用於啟動計算機的引導加載模塊就存放在ROM中，另外一些I/O卡也采用ROM處理底層設備的控制。

EEPROM（Electrically Erasable PROM，電可擦除可編程ROM）和閃存（flash memory）也是非易失性的，但是與ROM相反，他們可以擦除和重寫。不過重寫時花費的時間比寫入RAM要多。在便攜式電子設備中中，閃存通常作為存儲媒介。閃存是數碼相機中的膠卷，是便攜式音譯播放器的磁盤，還應用於固態硬盤。閃存在速度上介於RAM和磁盤之間，但與磁盤不同的是，閃存擦除的次數過多，就被磨損了。

還有一類存儲器就是CMOS，它是易失性的，許多計算機利用CMOS存儲器來保持當前時間和日期。CMOS存儲器和遞增時間的電路由一小塊電池驅動，所以，即使計算機沒有加電，時間也仍然可以正確地更新，除此之外CMOS還可以保存配置的參數，比如，哪一個是啟動磁盤等，之所以采用CMOS是因為它耗電非常少，一塊工廠原裝電池往往能使用若幹年，但是當電池失效時，相關的配置和時間等都將丟失。

6，磁盤結構，平均尋道時間，平均延遲時間，虛擬內存與MMU

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

控制器：是查找主板上的一塊芯片或一組芯片（硬盤，網卡，聲卡等都需要插到一個口上，這個口連的便是控制器），控制器負責控制連接的設備，它從操作系統接收命令，比如讀硬盤數據，然後就對硬盤設備發起讀請求來讀出內容。

控制器的功能：通常情況下對設備的控制是非常復雜和具體的，控制器的任務就是為操作系統屏蔽這些復雜而具體的工作，提供給操作系統一個簡單而清晰的接口

設備本身：有相對簡單的接口且標準的，這樣大家都可以為其編寫驅動程序了。要想調用設備，必須根據該接口編寫復雜而具體的程序，於是有了控制器提供設備驅動接口給操作系統。必須把設備驅動程序安裝到操作系統中。

9，總線與南橋和北橋

總線是計算機個功能部件之間傳送信息的公共通信幹線。

北橋即PCI橋：連接高速設備

南橋即ISA橋：連接慢速設備

10，操作系統的啟動流程

1,Bios引導找到有操作系統的硬盤

2,MBR主引導記錄，從啟動設備上讀取第一個扇區的內容

3,grub選擇內核，然後讀到內存中

4，kernel找到內核代碼

11，應用軟件的啟動流程

雙擊應用程序，由操作系統到硬盤尋找這個程序的內容，然後將它讀到內存中，在由cpu調用，從而啟動應用軟件。

計算機基礎與編程語言