一、為何要學習計算機基礎？

好多人覺得自己有點基礎就都想著直接敲代碼，覺得基礎知識很容易，很簡單，就不怎麽用心去學。然而，我覺得基礎知識很重要。就像蓋一棟樓房一樣，你先要打好地基，再去蓋房。 　　

　　　Python是一門編程語言，即通俗一點說就是語言。

　　　我們都知道世界上有很多種語言，比如：漢語，英語，阿拉伯語等等眾多的語言。要想用這些語言去和人溝通，如果你想和英國人說話，你必須得會英語吧。而我們的計算機也有它自己的語言，你要想讓計算機幫助我們做事情，你就需要和它溝通吧。那你就得懂得計算機語言吧，也就是編程。當然計算機也有很多語言，比如：C，Java，PHP，Python，C#等。所以我們就先從學習基礎知識開始。也有人說學習基礎理論知識很枯燥，但是，那還是得學。你要把它當成自己的興趣，一點一點的去投入它，相信你會是很棒的。

　　 程序用編程語言來寫程序，最終開發的結果就是一個軟件。就像大家都知道的QQ，騰訊視頻，酷狗音樂等一系列軟件。這些軟件要想運行必須得有系統控制它吧。當然，有人會問：為什麽要用操作系統呢？當然，很久以前的那些程序員確實是在沒有操作環境下，編程語言是操作硬件來編寫的。你可能覺得沒問題，但是其實問題很嚴重。如果一直像以前那樣會嚴重影響效率的。操作系統是出現在硬件之上的，是用來控制硬件的。所以，我們開發時只需要調用操作系統為我們提供的簡單的接口就可以了。

　　　如上圖所示，我把計算機的系統分為了上面三大塊。硬件，操作系統，應用程序。要想學習軟件知識，我想那些硬件的知識或多或少還是得了解點的，現在我們就來談談硬件一類的知識。

二、計算機硬件介紹

1. 硬件的目的：為了運行軟件給它的一些指令。我們可以優先從硬件中提取出這三個主要的東西，分別是： CPU，內存，硬盤

2. 在現實生活中，人腦是用來計算的，在計算機中，用來計算的是什麽呢？當然是CPU了。多數CPU都有兩種模式，即內核態與用戶態。這裏的即內核態與用戶態將會在下面的內容中講到。

3.如果我們把計算機理解為人的大腦，我們可以總結為幾句話：

　　　　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

　　　　　　 輸入設備是人的耳朵或眼睛，負責接受外部的信息傳給CPU

　　　　　　 以上所有的設備都通過總線連接，總線相當於人的神經

總線示意圖

三、處理器（寄存器及內核態與用戶態切換）

　　 1.計算機的大腦是CPU，它從內存中取指令-?解碼-?執行，然後在取指令，解碼，執行，周而復始，直至整個程序被執行完成。

　　　2. 寄存器是一個存儲設備，最快的一種存儲設備就是寄存器。

3.寄存器的分類

　　　　　　①通用寄存器：用來保存變量和臨時結果的。

　　　　　　②程序計數器：它保存了將要取出的下一條指令的內存地址。在指令取出後，程序計算器就被更新以便執行後期的指令

　　　　　　③堆棧指針：它指向內存中當前棧的頂端。該棧包含已經進入但是還沒有退出的每個過程中的一個框架。在一個過程的堆棧框架中保存了有關的輸入參數、局部變量以及那些沒有保存在寄存器中的臨時變量

　　　　　　④程序狀態字寄存器（Program Status Word,簡稱PSW）：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非常重要。

　　 4.內核態與用戶態

多數CPU都有兩種模式，即內核態與用戶態。 　　　　　　

　　　　①當cpu處於內核狀態時，運行的是操作系統，能控制硬件（可以獲取所有cpu的指令集）　　　　　

　　　　②當cpu處於用戶太狀態時，運行的是用戶軟件，不能控制硬件（可以獲取所有cpu的指令集中的一個子集，該子集不包括操作硬件的指令集）

　　　這裏有些人可能會含糊什麽是內核態，什麽是用戶態？下面我來解釋一下：

　　　　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）所以，歸根結底通俗一點的話也就是上面①解釋的那樣

　　　　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。

　　5.內核態與用戶態切換

用戶態下工作的軟件是不能之間操作硬件的，但是像我們的一些軟件，比如暴風音影啊一類的軟件，我們要想從磁盤中讀取一個電影文件，那就得從用戶態切換成內核態，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。

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

1. 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

由上圖可以很清楚的看見寄存器存儲是速度非常快的，但是它的容量卻很少。下來就是高速緩存了。我就不一一介紹了，我相信大家應該可以看得懂這個圖。

　2.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。

3.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。

4.內存：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

5.EEPROM（Electrically Erasable PROM，電可擦除可編程ROM）和閃存（flash memory）也是非易失性的。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。

五、磁盤

1.磁盤由磁頭，磁道，扇區組成的。

2.磁道：每個磁頭可以讀取一段換新區域。把一個戈丁手臂位置上所以的磁道合起來，組成一個柱面

3.每個磁道劃成若幹扇區，扇區典型的值是512字節。

4.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，那麽什麽是尋道時間和延遲時間呢？

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

平均延遲時間：機械臂到達正確的磁道之後還必須等待旋轉到數據所在的扇區下，這段時間成為延遲時間

六、磁帶

1.有些人會想磁帶是用來幹什麽的呢？當然，它也是內存之一，是用來存儲東西的，它的存儲量是相當大的，而且價錢也便宜。當遇上火災等緊急情況時，可以用磁帶來存儲我們的重要文件。常常用來做備份（常見於大型數據庫系統中）。但是，它也有缺點，就是運行速度特別慢，效率低。

2.cpu和存儲器並不是操作系統唯一需要管理的資源，I/O設備也是非常重要的一環。I/O設備一般包括兩個部分：設備控制器和設備本身。

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。

七、總線

　　　　北橋即PCI橋：連接高速設備

　　　 南橋即ISA橋：連接慢速設備

八、操作系統的啟動流程

　　1.計算機加電

　　2.BIOS開始運行，檢測硬件：cpu、內存、硬盤等

　　3.BIOS讀取CMOS存儲器中的參數，選擇啟動設備

　　4.從啟動設備上讀取第一個扇區的內容（MBR主引導記錄512字節，前446為引導信息，後64為分區信息，最後兩個為標誌位）

　　5.根據分區信息讀入bootloader啟動裝載模塊，啟動操作系統

　　6.然後操作系統詢問BIOS，以獲得配置信息。對於每種設備，系統會檢查其設備驅動程序是否存在，如果沒有，系統則會要求用戶按照設備驅動程序。一旦有了全部的設備驅動程序，操作系統就將它們調入內核。然後初始有關的表格（如進程表），穿件需要的進程，並在每個終端上啟動登錄程序或GUI

九、應用程序的啟動流程

　　1.雙擊快捷方式

　　2.告訴操作系統一個文件路徑

　　3.操作系統從硬盤讀取文件到內存中

　　4.cpu從內存中讀取數據執行

計算機基礎知識