计算机硬件基础
一、编程语言的作用以及与操作系统和硬件的关系
编程语言本质就是用来沟通的介质，程序员通过编程语言与计算机沟通，从而让计算机完成某样工作。
而一套完整的计算机系统分为：计算机硬件、操作系统、软件（程序员开发的及软件）。
软件（编程语言开发的程序）将一系列指令传递给操作系统，操作系统经过识别，传递到硬件来完成软件里的一系列指令。
现在应用软件与操作系统及硬件的关系已经有所了解了，那么接下来我们介绍计算机硬件的一些相关知识。
二、计算机硬件介绍
简单的来理解，一台简单的计算机可以理解为：CPU、内存以及I/O设备通过一条系统总线（BUS）并通过总线与其他的设备进行通信。
随着科技的发展，现代的计算机更加复杂，包括多重总线。接下面我们会以下面的图例来介绍各个部件。
简单得理解各部分功能：
2.1中央处理器
中央处理器即CPU,它是由计算机的运算器和控制器组成的。它的作用就是，从内存中：取指令→解码→执行，然后再取指令→解码→执行，周而复始直到整个程序完成。
CPU要从内存中读取到数据花费的时间比较长，所以CPU内部有一些用来存储关键变量和临时数据的寄存器。
寄存器的分类：
1.最开始取值、解码、执行这三个过程是同时进行的，这意味着任何一个过程完成都需要等待其余两个过程执行完毕，时间浪费
2.后来被设计成了流水线式的设计，即执行指令n时，可以对指令n+1解码，并且可以读取指令n+2,完全是一套流水线。
3.超变量cpu，比流水线更加先进，有多个执行单元，可以同时负责不同的事情，比如看片的同时，听歌，打游戏。
两个或更多的指令被同时取出、解码并装入一个保持缓冲区中，直至它们都执行完毕。只有有一个执行单元空闲，就检查保持缓冲区是否还有可处理的指令
这种设计存在一种缺陷，即程序的指令经常不按照顺序执行，在多数情况下，硬件负责保证这种运算结果与顺序执行的指令时的结果相同。
2.2存储器
人们总是想要容量大、速度快、价钱便宜的存储器，三者兼得是不可能的。所以才有了如下图所示的各类存储器。
寄存器即L1缓存:
制作材料与CPU相同，与CPU一样快，所以CPU访问它没有延迟。
高速缓存即L2缓存：
存在于主存和CPU之间的一级存储器，容量小速度比主存快，接近于CPU的速度。
内存：
存储系统的主力，即主存。主存又通常被称为随机访问存储RAM。主存是易失性存储，断电后数据全部消失。
非易失性随机访问存储ROM：
断电后，ROM中的数据也不会消失。ROM在工厂中被编程完后就不能再修改。
ERRROM（电可擦除可编程ROM）和闪存：
它们都是可擦除和重写的，不过重写的时间比RAM写入的时间长的多。便携式电子产品中，闪存作为存储媒介。数码相机中的胶卷、便携式音箱中的磁盘都是闪存，另外闪存还应用在固态硬盘。
闪存的速度介于RAM和磁盘之间，与磁盘不同的是，擦写次数过多，会影响到寿命。
CMOS：
CMOS也是易失性的，它用来保持计算机当前的日期和时间，它由一块小电池来供电驱动。除此之外，它还存储了配置的一些参数，比如哪个是启动磁盘。
2.3磁盘
硬盘中，不同盘片相同半径的磁道所组成的圆柱称为柱面。
每个盘片有两面，都可记录信息。盘片被分成许多扇形的区 域，每个区域叫一个扇区。
盘片表面上以盘片中心为圆心，不同半径的同心圆称为磁道。
传统的磁盘速度慢的原因是它是一种机械装置。
磁盘信息挂载在一些同心圆的隧道上，是一连串的二进制，为了更好的统计容量大小，8个bit称为一个字节bytes，1024bytes=1k，1024k=1M，1024M=1G,
所以我们平时所说的磁盘容量最终指的就是磁盘能写多少个2进制位。
数据都存放于一段一段的扇区，从磁盘读取一段数据需要经历寻道时间和延迟时间。
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称为寻道时间，找到了磁道就以为找到了数据所在的那个扇区，但是还不知道数据具体扇区的具体位置。
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：
从磁盘里拿出一块地方存放当前不需要执行的程序，这块地方称为虚拟内存。
在LINUX中称为SWAP，这种机制在于快速的映射内存地址，由CPU中的一个部件构成，称之为存储器管理单元(Memory Management Unit MMU)。
2.4磁带
在价钱相同的情况下比硬盘拥有更高的存储容量，虽然速度低于磁盘，但是因其大容量，在地震水灾火灾时可移动性强等特性，常被用来做备份。
2.5I/O设备
I/O设备一般包括两个部分：设备控制器和设备本身。
设备控制器：
硬盘，网卡，声卡等都需要插到一个口上，这个口连接的便是控制器。其主要职责是控制一个或多个I/O设备，以实现I/O设备和计算机之间的数据交换。
设备本身：
有相对简单的接口且标准的设备，这样大家就可以为其编写驱动程序。必须把驱动程序安装在操作系统中，才能用设备控制器调用设备。
2.6总线
北桥即PCI桥：连接高速设备
南桥即ISA桥：连接慢速设备
地址总线：用来选择存储器指定单元、指定接口
控制总线：用来传送控制信号，时序信号，和状态信息等。其中有的是CPU向内存和外设发出的信息，有的则是内存和外设向CPU发出的信息。
数据总线：用来传输CPU与存储器间、CPU与接口间指令和数据
2.7计算机及应用程序启动流程
计算机启动流程：
1.计算机加电
2.BIOS开始运行，检测硬件：cpu、内存、硬盘等
3.BIOS读取CMOS存储器中的参数，选择启动设备
4.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）
5.根据分区信息读入bootloader启动装载模块，启动操作系统
6.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
应用程序启动流程：
1.双击桌面应用程序的快捷方式。
2.操作系统从硬盘里找到该应用程序的数据，并加载到内存中。
3.CPU从内存中读取指令并执行。
4.CPU执行的结果通过显示器显示出来，应用程序被启动。
