Python正课2 —— 计算机基础补充

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一：CPU详解

1.CPU的分类与指令集

　　CPU分2种，32位（X86）和64位（X86-64）

　　CPU具有向下兼容性，就像USB3.0可以兼容USB2.0一样，64位的CPU既可以运行64位的程序，同样也可以运行32位的程序。

2.内核态与用户态

代表CPU的2种工作状态

　　①内核态：运行的程序是操作系统，可以操作计算机硬件
　　②用户态：运行的程序是应用程序，不能操作计算机硬件

内核态与用户态的转换

　　应用程序的运行必然涉及到计算机硬件的操作，那就必须有用户态切换到
　　内核态下才能实现，所以计算机工作时在频繁发生内核态与用户态的转换

3.常见CPU

常见的桌面CPU有 “intel（英特尔）” 和 “AMD”

　　Intel：

　　　　英特尔是美国一家以研制CPU处理器为主的公司，是全球最大的个人计算机零件和CPU制造商，它成立于1968年，具有50年产品创新和市场领导的历史。

　　AMD：

　　　　美国AMD半导体公司专门为计算机、通信和消费电子行业设计和制造各种创新的微处理器（CPU、GPU、APU、主板芯片组、电视卡芯片等)。

　　　　以及提供闪存和低功率处理器解决方案，公司成立于1969年。

　　　　AMD致力为技术用户——从企业、政府机构到个人消费者——提供基于标准的、以客户为中心的解决方案。

二：存储器

RAM

　　随机存取存储器（英语：Random Access Memory，缩写：RAM），也就是内存。

　　常说的也叫主存，是与CPU直接交换数据的内部存储器。

　　优点：可读可写，读写速度快，最快DDR4标准的内存读写速度高达50000MB/s

　　缺点：一旦断电，数据就会丢失

ROM

　　ROM 是 read only memory的简称，表示只读存储器。

　　只读存储器（ROM）是一种在正常工作时其存储的数据固定不变，其中的数据只能读出，不能写入。

　　即使断电也能够保留数据，要想在只读存储器中存入或改变数据，必须具备特定的条件。

　　优点：即使断电也可以保存数据

　　缺点：只能读取，不能写入，读写速度慢

CMOS

　　是电脑主板上的一块可读写的RAM芯片。

　　在电脑主板上用来保存BIOS设置完电脑硬件参数后的数据，这个芯片仅仅是用来存放数据的。

　　优点：可读可写，可保存数据，耗电量极低

　　缺点：读写速度慢，断电数据会丢失

硬盘

　　电脑硬盘是计算机最主要的存储设备，主要分为 “机械硬盘” 和 “固态硬盘” 2种。

机械硬盘（HDD：Hard Drive Disk）

　　磁道：一圈数据，对应着一串二进制（1bit代表一个二进制位）

　　单位换算：

　　　　8bit比特（位） = 1Bytes字节
　　　　1024Bytes = 1KB
　　　　1024KB = 1MB
　　　　1024MB = 1GB
　　　　1024GB = 1TB
　　　　1024TB = 1PB

　　扇区：
　　　　一个扇区通过为512Bytes
　　　　站在硬盘的解读，一次性读写数据的最小单为为扇区

　　IO延迟：

　　　　以一个7200rpm的硬盘为例：

　　　　　　7200rpm也就是7200转 / 分钟

　　　　　　120转 / 秒

　　　　　　1次转动花费8ms

　　平均寻道时间：

　　　　机械手臂转到数据所在磁道需要花费的时间

　　　　受限于物理工艺水平，目前机械硬盘可以达到的是5ms

　　平均延迟时间：

　　　　转半圈需要花费4ms，受限于硬盘的转速

　　IO延迟 = 平均寻道时间 + 平均延迟时间

　　优化程序运行效率的一个核心法则：

　　　　能从内存取数据，就不要从硬盘取

　　IO设备=设备的控制+设备本身

　　常见的机械硬盘接口：SATA

　　优点：存储容量大，价格便宜，使用寿命长。

　　缺点：读写速度慢，最快读写速度约为300M/s；有噪音；震荡易损坏；功耗大。

固态硬盘（SSD：Solid State Disk）

　　俗固态硬盘是用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘。

　　SSD由控制单元和存储单元（FLASH芯片、DRAM芯片）组成。

　　常见的固态硬盘接口：SATA、M.2、PCI-E

　　优点：读写速度快，最快读写速度约为5000M/s；轻便、功耗小、抗震防摔。

　　缺点：最大容量小于机械硬盘；价格高；因为擦写次数的限制，寿命短。

三：操作系统启动流程相关

BIOS介绍：

　　BIOS：Basic Input Output System，基本输入输出系统

　　BIOS是被烧录在主板的ROM中的一个程序

　　（这里说的主板是纯主板，不包括CPU，内存和硬盘之类的硬件）

　　BIOS中的配置信息会被保存在CMOS中，一旦CMOS断电，这些配置信息就会被清空。

　　虽然BIOS是一个底层的系统，但是也可以设置密码，开机后先于操作系统执行。

操作系统具体启动流程：

1.计算机按下开机按钮，通电

2.BIOS开始运行，进行硬件检测：CPU、内存、硬盘...

3.BIOS读取CMOS存储区中的配置参数，选择要启动的硬件设备

4.从启动的硬件设备中读取第一个扇区的信息（引导根据分区格式的不同分为MBR和UEFI）

5.根据分区信息读入bootloader启动装载模块，启动操作系统

6.操作系统询问BIOS，获得配置信息。系统监测设备驱动是否正常，然后将其调入内核

四：应用程序启动流程

以 “Windows系统”为例：

1.双击 “.exe” 结尾的快捷方式，找到文件的绝对路径

2.操作系统根据文件路径找到exe程序在硬盘的位置，控制其代码从硬盘加载到内存

3.控制CPU从内存中读取之前读入内存的应用程序的代码执行，应用程序启动完成