01-02 计算机基础知识详解

1、CPU详解

1.1 CPU的分类与指令集

• 前言：程序员控制的其实是cpu这个组件，由cpu这个组件帮我们下发控制其他组件的指令。

• 指令集：把程序员控制cpu的指令，转成cpu操作某个组件的指令。这些指令不会自发的运行，由人类控制它才能运行

• cpu的分类：精简指令集、复杂指令集。

• 精简指令集：指令集简短，完成的事情，非常的简单。优点：不容易错，更稳定。缺点：实现复杂的操作，需要的指令集就会成堆，才会完成这一件事。作用：争对稳定的需求，争对大型的计算机架构的服务器，它就需要精简指令集。（例子：网络设备，服务器等）

• 复杂指令集：单条指令比较复杂。优点：单条指令集完成的事情比较多，意味着完成复杂的事，只需要几条就够。缺点：单挑指令比较复杂，容易出错，不稳定。作用：争对功能更丰富，更强大，因该需要cpu内部的复杂指令集。（例子：个人电脑）

• 拓展了解：中国计算机硬件行cpu行业的落后，更多的是cpu精简指令集的开发，做上层的开发，尤其是涉及到硬件方面，是比较薄弱的。

1.2 x86-64(重点)

• x86（掌握）：指的是CPU的型号，或者说cpu架构的一种统称。

详细地讲，注意详细信息来了👇
	最早的那颗Intel发明出来的CPU代号称为8086，后来在8086的基础上又开发出了80285、80386....，因此这种架构的CPU就被统称为x86架构了。 
    
    由于AMD、Intel、VIA所开发出来的x86架构CPU被大量使用于个人计算机上面，因此，个人计算机常被称为x86架构的计算机！
    
    程序员开发出的软件最终都要翻译成cpu的指令集才能运行，因此软件的版本必须与cpu的架构契合，举个例子，我们在MySQL官网下载软件MySQL时名字为：Windows(x86,32-bit),ZIP Archive 或者 (mysql-5.7.20-win32.zip)   
    
    我们发现名字中有x86，这其实就是告诉我们：该软件应该运行在x86架构的计算机上。  

• 64（掌握）： cpu的位数，指的是cpu一次性能从内存中取出多少位二进制指令，64bit指的一次性能从内存中取出64位二进制指令。注意：CPU的取主要决定于内存一次性能给多少二进制指令。

二进制是怎么来的呢❓
	内存基于电信号工作，所以人为的定义，高电频代表数字1，低电频代表数字0，0101之间高低电频的变化，就类比出了二进制。

• CPU向下兼容性（掌握）：x86-64的cpu既能运行32位的软件也能运行64位的软件。

为什么cpu具有向下兼容性❓
	我们知道cpu取的指令集数，取决于内存提供的指令集数。举个例子：cpu与内存的关系就像车道与车的关系，车道：cpu的每次读取指令集数量 车：内存最大提供给cpu的指令集数，车道能越宽，一次性能容纳车的个数也就越多。

• 拓展：64位的cpu读取提供32位指令集的内存，会在32位之前补全32个0。

1.3 内核态与用户态（重点：面试的时候要用、平常写程序的时候也要用）

什么是内核态与用户态？

• CPU工作的两种状态，就是cpu的运行状态，也叫计算机的运行状态

为什么cpu要有这两种状态？

• 避免代码进行潜在微信的操作，防止给操作系统带来隐患。

了解cpu的2种指令集状态

• 我们已知cpu是计算机最核心的硬件，它里面的指令集是cpu最核心的硬件，因此cpu有2种指令集状态：分为控制其他硬件的指令集、运算相关的指令集

内核态

• 运行的程序是操作系统，也就是操作系统当前工作的状态，也就是说当前状态下，cpu中所有的指令集开放（控制其他硬件的指令集 + 运算相关的指令集），可以操作硬件。

• 总结（掌握）：运行的程序时操作系统,可以操作硬件。

用户态

• 运行的程序是应用程序，当前状态cpu中只开放运算相关的指令集，不能操作硬件。

• 总结（掌握）：运行的程序是应用程序。不可以操作硬件。

用户态与内核态的切换

• 在什么情况下会发生用户态与内核态的切换？应用程序的运行涉及到计算机硬件的操作，那就必须从用户态切换到内核态才能实现，因此计算机工作时频繁的发生内核态与用户态之间的转换。
• 总结（掌握）：应用程序的运行涉及到计算机硬件的操作，就会发生内核态与用户态之间的转换。

1.4 多线程与多核芯片

• 了解moore定律，moore定律指出，计算机芯片的晶体管数量每18月翻一倍，到现在为止这个定律以及不太确切了。

2核4线程 与 4核8线程

• 2核代表有2个CPU，4线程指的是每个CPU都有2个线程，通常也叫假4核。

• 4核代表有4个CPU，8线程指的是每个CPU都有2个线程，通常也叫假8核。

2、存储器

引入

• 结构从上到下：cpu，寄存器，高速缓存，内存，硬盘，磁盘

• 为了提高cpu读取数据的速度，所以在cpu与磁盘之间引入了内存，然后cpu从内存中读取数据其实也是慢的，所以之间加入的高速缓存，高速缓存还是不够块，又在cpu与高速缓存之间又增加了寄存器，这样一步一步提高cpu读取数据的速度。

• 寄存器： 使用cpu同等材质制造而成，在cpu内部集成，cpu运行下一步操作立马需要的指令。

• 高速缓存：存放cpu经常使用的数据。cpu读取数据的时候，先从高数缓存中查看自己所需要的数据，如果有直接从高速缓存中取走，速度很快2ns（这叫高速缓存命中）。如果没有再跑到内存中。

2.1 RAM

• RAM 英文全称 random access memory，又叫随机存取存储器。

• 可存可取内存，断电数据丢失，就是我们通常所说的内存。

2.2 ROM

• ROM英文全称ready only memory又叫只读存储器。

• 只读内存，出产就有。为了保证安全性计算机产商出产就往ROM中写死一段核心程序。这段核心程序叫BIOS（BIOS英文全称basic input output system，又叫基本输入输出操作系统），保证计算机在没有任何操作系统的前提下，计算机可以启动。

2.3 CMOS

• 存放BIOS程序产生的数据，比如：启动设备的优先级等。

• 缺点：数据容易丢失，断电数据丢失

• 优点：耗电量极低，主板电池为时钟芯片供电，时钟芯片存放与CMOS中。（拓展：主板电池使用寿命3~5年）

2.4 硬盘

2.4.1 机械硬盘

什么是机械硬盘？机械硬盘依赖于机械的转动，盘片基于磁型号，所以也称之为磁盘。高低磁性号，高磁性号：代表1，二进制1。低磁性号：代表0，二进制0.

磁头

• 负责读写数据。

磁道

• 磁盘的一圈圈数据，对应一串二进制。看到👆面图了吗？那个一圈圈的就是。

单位换算如下：

注意：严格区分大小写，1kb是1kbit 而不是 1kBytes。小写b表示比特位，大写比表示字节。
1bit（比特位） = 8Bytes（字节）
1024Bytes = 1KBytes
1024KB = 1MB
1024MB = 1GB
1024GB = 1TB
1024TB = 1PB

拓展：对应产商的硬盘存储单位1000表示为一个单位，例200G=200*1000*1000B

扇区

• 注意：硬盘的1次性读写数据的最小单位就是扇区。1个扇区为512Bytes。

• 由扇区拓展出操作的1次性读写单位：操作系统的1次性读写的单位是1个block块，blcok的概念对应的是8个扇区的大小，也就是4096Bytes。操作系统攒够了block块的容量才交给硬盘，以此来减少与硬盘打交道的次数，从而减少IO次数。（block块大小可以自定义，默认1个block等于8个扇区大小）

柱面

• 如上图所示，所有的盘片，多个盘片上下当成一个整体.

• 磁盘的分区的概念，就是从一个柱面开始，到第二个柱面结束，下面的所有范围看作一个整体，就是一个磁盘的分区。

2.4.2 固态硬盘

• 基于电子工作，取代机械硬盘容易损坏的缺点，使用的是物理元件，闪存芯片。

2.5 IO延迟（重点）

举例

• 假设当前硬盘磁头转速是7200/min，也就是120/s，那么转一圈需要-花费1/120≈8ms，半圈也就是4ms

平均寻道时间（掌握）

• 机械手臂从一个柱面随即移动到相邻的柱面的时间成为寻道时间。找到了磁道就以为找到了数据所在的那个圈圈，但是还不知道数据具体在这个圈圈的具体时间。所以机械手臂移动柱面的时间，就叫平均寻道时间。（目前受限于物理工艺水平目前机械硬盘可以达到得是5ms）

平均迟时间（掌握）

• 机械手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，这段时间就叫平均延迟时间。（基于上面例子，转半圈需要花费4ms，受限于硬盘得转速）

IO延迟（掌握）

• 平均寻道时间 + 平均延迟时间 = IO延迟

硬盘为什么慢的正真原因

• 由上面可以知道，硬盘主要慢，是慢在找数据得过程，读数据是很快得过程。因此想优化程序运行效率，就要让程序减少与硬盘打交道得过程，数据能从内存取，就不要从硬盘取。

• 文件读写就是与硬盘打交道的过程，因此要减少文件的读写操作（文件时操作系统给人提供操作硬盘的虚拟单位）

2.6 虚拟内存

• 内存不够用的时候，在硬盘上划一块空间，这个空间就叫虚拟内存（拓展：linux系统的swap分区就是虚拟内存）

作用：当内存不够用的时候，保证程序的正常运行。

2.7 磁带

• 一般用于备份，价格低，容量大，便于携带

3、总线

所有的计算的组成部分，这些硬件，都是集成在一块板子上，这块板子就叫主板。而总线就是组件于组件之间来回传输数据的一种桥梁。

北桥即PCI桥：负责连接CPU与内存，可以发现北桥连接的都是高速设备。

南桥即ISA桥：负责连接SCSI（硬盘的一种接口）、USB（鼠标键盘等一些接口），可以发现南桥连接的是慢速设备。

4、操作系统的启动流程（重点）

裸机下的3大硬件

• cpu

• ROM：充当内存，存放BIOS系统，BIOS能保证没有安装任何操作系统的前提下，你的计算机能够启动起来。

• CMOS：充当硬盘，存放BIOS程序产生的数据。

安装操作系统的启动流程（掌握）

1、计算机通电

2、BIOS开始运行，检测硬件：CPU、内存、硬盘等等

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（也就是即将安装的操作系统）读取第一个扇区的内容（MBR主引导记录：MBR主引导记录共512字节，前446字节为引导信息，后64字节为分区信息，最后2字节为标志位。）

5、根据分区信息读入boot loader启动加载模块，启动正真意义上的操作系统。（该分区信息指的就是上面所读取第一个扇区内容得后64个字节的分区信息）

6、然后正真意义上的操作系统询问BIOS，以获取配置信息。对于每种设备，操作系统会检查其设备驱动程序是否存在，如果没有，操作系统会要求用户安装设备驱动程序。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，完成了BIOS与操作系统的交接，获取了控制所有硬件的最高权限。

安装操作系统后的3大硬件

• cpu

• RAM：开机以后，操作系统就加载到内存。

• 本地硬盘：分区，启动盘存放操作系统这个软件。

5、密码破解与相关安全

破解操作系统设置的密码

1、拿个存有无密码的操作系统的U盘，插入电脑U盘接口，充当硬盘

2、启动BIOS，设置该没有密码的操作系统的启动优先级，待BIOS与该没有密码的操作系统交接完毕，重启计算机，此时优先加载的就是该没有密码的操作系统。

3、该没有密码的操作系统此时获取了控制所有硬件的最高权限，而那个设置密码了的操作系统，仅仅只是躺在硬盘上的一堆普通的程序无恙，这时就可以随意修改密码。

4、修改过后，重启计算机，进入BIOS中，把修改密码的操作系统的启动优先级，设置为最优先，重启计算机，拔出U盘，达到修改密码锁定的问题。

破解BIOS中设置的密码

归根结底，BIOS存放在ROM中，而提供启动信息的参数，都存放在CMOS中，可知道的是CMOS由主板电池供电，拔插 主板电池，数据缓存消失，插入以后，原始数据不存在，BIOS中的密码设置也不起作用了。所以说没有绝对的安全。

6、应用程序的启动流程（掌握）

1、双击exe可执行程序的快捷方式（就相当于把exe文件路径，告诉操作系统，说我有一个应用程序需要执行。）

2、操作系统会根据文件路径找到exe程序在硬盘上的位置，控制其代码从硬盘加载到内存

3、然后控制CPU从内存中读取刚刚读入的应用程序代码并执行，应用程序则完成启动。

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