计算机基础

目录

计算机基础... 1

第1章 为什么要学习计算机基础... 1

1.1 目的... 2

第2章 计算机硬件介绍... 2

2.1 处理器... 4

2.1.1 LCPU的分类：... 4

2.1.2 CPU两种工作状态... 5

2.2 存储器... 5

2.3 硬盘... 6

2.3.1 平均寻道时间... 7

2.3.2 平均延迟时间... 7

2.3.3 虚拟内存：... 7

2.4 磁带... 7

2.5 输入输出设备... 8

2.6 总线... 8

第3章 开机启动计算机... 9

第4章 操作系统... 10

4.1 什么是操作系统... 10

4.2 操作系统分成两部分... 10

4.3 应用程序的启动顺序... 11

第1章 为什么要学习计算机基础

python是编程语言，即python是语言语言有英语、法语、葡萄牙语等，但凡是语言，都是用来沟通的介质。程序员编程的本质就是让计算机去工作，而编程语言就是程序员与计算机沟通的介质程序员要想让计算机工作，必须知道计算机能干什么，怎么干的，这也就是我们必须学习计算机基础的原因. 所以一套完整的计算机系统分为：计算机硬件，操作系统，应用软件，如下图。因而我们的python编程之路分为计算机硬件基础，操作系统基础，和python编程三部分，就让我们先从计算机硬件学起吧

 

 

1.1 目的

1、          了解计算机各组件及工作原理

2、          了解计算机的启动流程

第2章 计算机硬件介绍

计算机硬件有五大组成部分：

控制器

                 运算器

                 存储器I/O：内存+外存

                 输入设备input

                 输出设备output

 

                

解释：

#1、控制器：计算机的指挥系统。控制器通过地址访问存储器，从存储器中取出指令，经译码器分析后，根据指令分析结果产生相应的操作控制信号作用于其他部件，使得各部件在控制器控制下有条不紊地协调工作。

 

#2、运算器：实现算术运算和逻辑运算的部件。

 

#3、存储器：是计算机用来存放所有数据和程序的记忆部件。它的基本功能是按指定的地址存（写）入或者取（读）出信息。 计算机中的存储器可分成两大类：一类是内存储器，简称内存或主存；另一类是外存储器（辅助存储器），简称外存或辅存。 存储器由若干个存储单元组成，每个存储单元都有一个地址，计算机通过地址对存储单元进行读写。一个存储器所包含的字节数称为存储容量，单位有B、KB、MB、GB、TB等。

 

#4、输入设备：是向计算机中输入信息（程序、数据、声音、文字、图形、图像等）的设备。常见的输入设备有：键盘、鼠标、图形扫描仪、触摸屏、条形码输入器、光笔等。 外存储器也是一种输入设备。

 

#5、输出设备：主要有显示器、打印机和绘图仪等。外存储器也当作一种输出设备。

 

控制器+运算器=CPU（CPU、内存(主存储器)以及其他I/O设备都由一条系统总线（bus）连接起来并通过总线与其他设备通信）

2.1 处理器

示例：

 　　

功能：也就是负责运算和控制中心，是电脑的最关键的部位，是计算机的头脑。

      作用：相当于人的大脑一样在计算机中进行的任何操作.例如：（数据的输入，存储，程序的运行，屏幕的现实，结果的打印）都在CPU的控制下完成的。CPU比计算机中任何部件都更能决定计算机的工作速度和效率。

      工作方式：取指--->分析--->执行

 

2.1.1 LCPU的分类：

我们已经知道CPU内部是含有微指令集的，我们所使用的的软件都要经过CPU内部的微指令集来完成才行。这些指令集的设计主要又被分为两种设计理念，这就是目前世界上常见到的两种主要的CPU种类：分别是精简指令集（RISC）与复杂指令集（CISC）系统。下面我们就来谈谈这两种不同CPU种类的差异！

 

2.1.1.1   精简指令集

精简指令集（Reduced Instruction Set Computing，RISC）：这种CPU的设计中，微指令集较为精简，每个指令的运行时间都很短，完成的动作也很单纯，指令的执行效能较佳；但是若要做复杂的事情，就要由多个指令来完成。常见的RISC指令集CPU主要例如Sun公司的SPARC系列、IBM公司的Power Architecture（包括PowerPC）系列、与ARM系列等

 

2.1.1.2   复杂指令集

复杂指令集（Complex Instruction Set Computer，CISC）与RISC不同，在CISC的微指令集中，每个小指令可以执行一些较低阶的硬件操作，指令数目多而且复杂，每条指令的长度并不相同。因此指令执行较为复杂所以每条指令花费的时间较长，但每条个别指令可以处理的工作较为丰富。常见的CISC微指令集CPU主要有AMD、Intel、VIA等的x86架构的CPU。

 

2.1.2    CPU两种工作状态

用户态：cpu执行用户程序/应用程序所处的状态，处于用户态不能控制硬件

内核态：cpu执行操作系统内核所处的状态，处于内核态能够控制硬件

2.2 存储器

CPU和磁盘之间的缓冲设备，是临时存储器（）。

      一般程序运行的时候会被调度到内存中执行，服务器关闭或程序关闭，自动从内存中释放掉。

寄存器即L1缓存：

用与cpu相同材质制造，与cpu一样快，因而cpu访问它无时延，典型容量是：在32位cpu中为32*32，在64位cpu中为64*64，在两种情况下容量均<1KB。

 

高速缓存即L2缓存：

主要由硬件控制高速缓存的存取

 

2.3 硬盘

功能：硬盘简单的来说就是一个容量大的存储器，存储视频，文本，音频等各种数据，成为现代电脑不可缺少的配件。

      作用：由于计算机在工作时、CPU、输入输出设备与存储器之间要大量地交换数据、因此。存储器的存取速度和容量，也是影响计算机运行速度的主要因素之一

 

磁盘低速的原因是因为它一种机械装置，在磁盘中有一个或多个金属盘片，它们以5400，7200或10800rpm（RPM =revolutions per minute 每分钟多少转 ）的速度旋转。从边缘开始有一个机械臂悬在盘面上，这类似于老式黑胶唱片机上的拾音臂。信息卸载磁盘上的一些列的同心圆上，是一连串的2进制位（称为bit位），为了统计方法，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。每个磁头可以读取一段换新区域，称为磁道把一个戈丁手臂位置上所以的磁道合起来，组成一个柱面每个磁道划成若干扇区，扇区典型的值是512字节

数据都存放于一段一段的扇区，即磁道这个圆圈的一小段圆圈，从磁盘读取一段数据需要经历寻道时间和延迟时间

 

2.3.1 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成为寻到时间，找到了磁道就以为着招到了数据所在的那个圈圈，但是还不知道数据具体这个圆圈的具体位置

      一个7200/m的磁盘的平均寻到时间:5ms

                                       平均延迟时间:60/7200=0.008=8ms

                                                              4ms

2.3.2 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

2.3.3 虚拟内存：

许多计算机支持虚拟内存机制，该机制使计算机可以运行大于物理内存的程序，方法是将正在使用的程序放入内存取执行，而暂时不需要执行的程序放到磁盘的某块地方，这块地方成为虚拟内存，在linux中成为swap，这种机制的核心在于快速地映射内存地址，由cpu中的一个部件负责，成为存储器管理单元(Memory Management UnitMMU)

 

 

 

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。（常见于大型数据库系统中）

 

2.5 输入输出设备

#1、输入设备

　　输入设备的任务是把人们编好的程序和原始数据送到计算机中去，并且将他们转换成计算机内存所能识别和接受的信息方式。

 

　　安输入信息的形态可分为字符（包括汉字）输入、图形输入、图像输入及语言输入等。目前，常见的输入设备有：键盘、鼠标、扫描仪等。辅助存储器（磁盘、磁带）也可以看作输入设备。另外，自动控制和检测系统中使用的模数（A/D）转换装置也是一种输入设备。

 

#2、输出设备

　　输出设备的任务是将计算机的处理结果以人或其他设备所能接受的形式送出计算机。

目前最常用的输出设备是打印机和显示器。辅助存储器也可以看做输出设备。另外，数模（D/A）转换装置也是一种输出设备。

 

2.6 总线

示例图：

 

 

      作用：总线扩展槽：按功能分为内存插槽、PCI/ISA扩展槽、AGP,PCI,PCI-E显示插槽等。

      各类I/O接口：软硬盘、键盘、鼠标、打印机、USB（通用串行总线）、COM1/COM2等。

第3章 开机启动计算机

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

 

 

 

第4章 操作系统

完整的操作系统：

 　　　　　　　　

 

4.1 什么是操作系统

是一个协调、管理、控制计算机硬件与软件的控制程序

4.2 操作系统分成两部分

cpu的两种工作状态

           用户态：cpu执行用户程序/应用程序所处的状态，处于用户态不能控制硬件

           内核态：cpu执行操作系统内核所处的状态，处于内核态能够控制硬件

4.3 应用程序的启动顺序

      前提：先启动操作系统

      1、向操作系统提交程序启动文件的路径

      2、操作系统根据文件路径把硬盘的数据读入内存

      3、操作系统调用cpu来执行内存中刚刚读入的程序代码