程式語言的作用

語言作為人類交流的工具，它可以將我們腦海中的想法表達出來。程式語言的作用就是我們與計算機之間交流的語言。

作業系統和硬體的關係

作業系統說白了也就是軟體，它可以操控計算機硬體。如果我們只有硬體而沒有作業系統，是沒辦法使用的，程式用程式語言寫程式，最終開發出一款軟體，這些軟體必須執行在作業系統的基礎上。軟體通過作業系統對系統硬體進行控制，從而實現功能。

應用程式、作業系統和硬體的關係

應用程式通過作業系統實現對計算機硬體的控制。

CPU->記憶體->磁碟

CPU是中央處理，執行速度最快，記憶體執行速度次之，磁碟執行速度最慢。資料從作業系統寫入記憶體，記憶體可以向硬碟中寫入資料也可以調出資料，也可以向CPU傳送指令。
* CPU從記憶體中取指令-》解碼啊-》執行*

cpu與暫存器

CPU向記憶體取指令操作時有一個時間差，因此需要一個執行速度介於兩者之間的暫存器，將地址存入暫存器中。 因訪問記憶體以得到指令或資料的時間比cpu執行指令花費的時間要長得多，所以，所有CPU內部都有一些用來儲存關鍵變數和臨時資料的暫存器，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（可以理解為資料）從記憶體調入暫存器，以及將一個字從暫存器存入記憶體。cpu其他的指令集可以把來自暫存器、記憶體的操作資料組合，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暫存器或記憶體中。

暫存器分類

1 通用暫存器
儲存變數和臨時結果。
2 程式計數器
儲存了將要取出的下一條指令的記憶體地址。指令取 出後，程式計數器就被更新以便執行後期的指令。 3 堆疊指標
它指向記憶體中當前棧的頂端。
4 程式狀態字暫存器（PSW）
這個暫存器包含了條碼位、CPU優先順序、模式、以及各種其他控制位。

使用者態和核心態

使用者態只從CPU中讀出一部分指令集，並不能對計算機硬體進行全部的操作，從而限制了應用程式的功能。核心態是從CPU中讀出全部指令集，對計算機硬體進行全部的操作。
核心態和使用者態的切換方式為儲存在PSW中的二進位制位資訊所決定。
使用者態下工作的軟體不能操作硬體，但是我們的軟體比如暴風影音，一定會有操作硬體的需求，比如從磁碟上讀一個電影檔案，那就必須經歷從使用者態切換到核心態的過程，為此，使用者程式必須使用系統呼叫（system call），系統呼叫陷入核心並呼叫作業系統，TRAP指令把使用者態切換成核心態，並啟用作業系統從而獲得服務。

暫存器——L1快取

與CPU相同的材質。速度與CPU一樣快，因而CPU訪問它時無延遲，但是容量很小。
訪問時間為1ns,典型的容量小於1KB

快取記憶體——L2快取

主要由硬體控制快取記憶體的存取，記憶體中有快取記憶體行按照0~64位元組為行0，64~127為行1。最常用的快取記憶體行放置在cpu內部或者非常接近cpu的快取記憶體中。當某個程式需要讀一個儲存字時，快取記憶體硬體檢查所需要的快取記憶體行是否在快取記憶體中。如果是，則稱為快取記憶體命中，快取滿足了請求，就不需要通過匯流排把訪問請求送往主存(記憶體)，這畢竟是慢的。快取記憶體的命中通常需要兩個時鐘週期。快取記憶體為命中，就必須訪問記憶體，這需要付出大量的時間代價。由於快取記憶體價格昂貴，所以其大小有限，有些機器具有兩級甚至三級快取記憶體，每一級快取記憶體比前一級慢但是容易大。
快取在電腦科學的許多領域中起著重要的作用，並不僅僅只是RAM（隨機存取儲存器）的快取行。只要存在大量的資源可以劃分為小的部分，那麼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，此時用快取可以帶來效能上的提升。一個典型的例子就是作業系統一直在使用快取，比如，多數作業系統在記憶體中保留頻繁使用的檔案（的一部分），以避免從磁碟中重複地呼叫這些檔案，例如一個web頁面的url地址轉換為網路地址(IP)地址後，這個轉換結果也可以快取起來供將來使用。
快取是一個好方法，在現代cpu中設計了兩個快取。第一級快取稱為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，對那些頻繁使用的資料自，多少晶片還會按照第二L1快取 。。。另外往往設計有二級快取L2，用來存放近來經常使用的記憶體字。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個時鐘週期（即1-2ns）的延遲。
記憶體：再往下一層是主存，此乃儲存器系統的主力，主存通常稱為隨機訪問儲存RAM，就是我們通常所說的記憶體，容量一直在不斷攀升，所有不能再快取記憶體中找到的，都會到主存中找，主存是易失性儲存，斷電後資料全部消失
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儲存如ROM（Read Only Memory，ROM），在電源切斷之後，非易失性儲存的內容並不會丟失，ROM只讀儲存器在工廠中就被程式設計完畢，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載入模組就存放在ROM中，另外一些I/O卡也採用ROM處理底層裝置的控制。
EEPROM（Electrically Erasable PROM，電可擦除可程式設計ROM）和快閃記憶體（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。在行動式電子裝置中中，快閃記憶體通常作為儲存媒介。快閃記憶體是數碼相機中的膠捲，是行動式音譯播放器的磁碟，還應用於固態硬碟。快閃記憶體在速度上介於RAM和磁碟之間，但與磁碟不同的是，快閃記憶體擦除的次數過多，就被磨損了。
還有一類儲存器就是CMOS，它是易失性的，許多計算機利用CMOS儲存器來保持當前時間和日期。CMOS儲存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還可以儲存配置的引數，比如，哪一個是啟動磁碟等，之所以採用CMOS是因為它耗電非常少，一塊工廠原裝電池往往能使用若干年，但是當電池失效時，相關的配置和時間等都將丟失.**

磁碟結構

磁碟有磁頭，磁軌，扇區，柱面。每個磁頭可以讀取一段換新區域，稱為磁軌。把一個戈丁手臂位置上所以的磁軌合起來，組成一個柱面。每個磁軌劃成若干扇區，扇區典型的值是512位元組。
資料都存放於一段一段的扇區，即磁軌這個圓圈的一小段圓圈，從磁碟讀取一段資料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，找到了磁軌就以為著招到了資料所在的那個圈圈，但是還不知道資料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軌之後還必須等待旋轉到資料所在的扇區下，這段時間成為延遲時間。
虛擬記憶體
許多計算機支援虛擬記憶體機制，該機制使計算機可以執行大於實體記憶體的程式，方法是將正在使用的程式放入記憶體取執行，而暫時不需要執行的程式放到磁碟的某塊地方，這塊地方成為虛擬記憶體，在linux中成為swap，這種機制的核心在於快速地對映記憶體地址，由cpu中的一個部件負責，成為儲存器管理單元(Memory Management Unit MMU)。
PS：從一個程式切換到另外一個程式，成為上下文切換(context switch),快取和MMU的出現提升了系統的效能，尤其是上下文切換。

磁帶

在價錢相同的情況下比硬碟擁有更高的儲存容量，雖然速度低於磁碟，但是因其大容量，在地震水災火災時可移動性強等特性，常被用來做備份。
I/O裝置一般包括兩個部分
裝置控制器和裝置本身。
控制器
是查詢主機板上的一塊晶片或一組晶片（硬碟，網絡卡，音效卡等都需要插到一個口上，這個口連的便是控制器），控制器負責控制連線的裝置，它從作業系統接收命令，比如讀硬碟資料，然後就對硬碟裝置發起讀請求來讀出內容。
控制器的功能
通常情況下對裝置的控制是非常複雜和具體的，控制器的任務就是為作業系統遮蔽這些複雜而具體的工作，提供給作業系統一個簡單而清晰的介面
裝置本身
有相對簡單的介面且標準的，這樣大家都可以為其編寫驅動程式了。要想呼叫裝置，必須根據該介面編寫複雜而具體的程式，於是有了控制器提供裝置驅動介面給作業系統。必須把裝置驅動程式安裝到作業系統中。

匯流排

北橋即PCI橋：連線高速裝置
南橋即ISA橋：連線慢速裝置

作業系統的啟動流程

1 計算機加點
2 BIOS開始執行，檢測硬體：CPU、記憶體、硬碟等。
3 BIOS讀取CMOS儲存器中的引數，選擇啟動裝置。
4 從啟動裝置讀取第一個扇區的內容（MBR主引導記錄512位元組，前446為引導資訊，最後兩個為標誌位）
5 根據分割槽資訊讀入bootloader啟動裝載模組，啟動作業系統。
6 然後作業系統詢問BIOS，以獲得配置資訊。對於每種裝置，系統會檢查其裝置驅動程式是否存在，如果沒有，系統則會要求使用者按照裝置驅動程式。一旦有了全部的驅動程式，作業系統就會將它們調入核心。然後初始有關的表格，穿件需要的程序，並在每個終端上啟動登入程式或GUI。