计算机基础

一   计算机基础对于学习编程语言的重要性

       python作为一门编程语言，那么它就有语言的功能。我们通常所说的语言，比如：汉语，英语，法语等，都是用来人与人之间进行沟通的媒介。那么python与他们

的区别就是python是人与计算机进行沟通的媒介。中国有句俗语：知彼知己，百战不殆。我们为了更好地与计算机进行沟通，让计算机按照我们人的逻辑思维来工作，

就要尽可能详细的了解计算机这个机器，它的一些结构组成，功能，工作原理。所以计算机基础对于python编程学习的重要性可想而知。

二   一个完整计算机系统由：硬件，应用程序，操作系统，三部分组成，也可以说由：软件和硬件两部分组成。

      1  计算机硬件 

           计算机硬件分为五个部分：

                （1）控制器：控制器顾名思义，就是进行各种控制。  根据操作人员发出的指令对各部件进行控制，以保证各部件正常运行。

                （2）运算器：进行算数运算和逻辑运算。

                （3）存储器：用来存放数据和应用程序，能够对存储器中德信息进行读取和写入操作，对于数据的操作是通过存储器中的地址来完成，因为每个存储单元都有一个地址，存储器的容量单位Bytes，KB，MB，GB，TB，PB等，同时1024B=1KB，1024KB=1MB，1024MB=1GB，1024GB=1TB。

                 （4） 输入设备：就是向计算机输入信息的设备，常用的有：鼠标，键盘，触屏等。

                  （5）输出设备：显示器，打印机等。

            CPU：

                   cpu由控制器和运算器组成，所以它不仅能对软/硬件进行控制，还可以进行逻辑运算和算术运算。那么对于cpu来说当程序员对计算机发出一条指令时，指

令经过输入设备进入内存，这个时候cpu到内存中取指进行分析，分析之后执行相应的动作。cpu读取的数据都是从内存中来的，那么cpu只是做一个分析与处理，处理

过后数据再写入存储器中，由存储器再到输出单元。cpu的种类主要是：精简指令集与复杂指令集，精简指令集cpu只能进行一些简单的操作，运行时间短，效率较高。

而复杂指令集cpu指令数目多且复杂，所以每条指令运行时间会比精简指令集长，但能进行更加复杂的工作。我们现在用的cpu很多都是x86-64，因为cpu具有向下兼容

性，所以x86-64的cpu的兼容性较好。

                                                                             

       CPU的内核态与用户态

               除了在嵌入式系统中的非常简答的CPU之外，多数CPU都有两种模式，即内核态与用户态。

               嵌入式系统：一应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能，可靠性，成本，体积，功耗等严格要求的专用计算机系统。

所以说嵌入式系统一般在计算机初装系统就具备，所以通常用户是不可变的，就好像今天我们的手机上刚买来就会有一些软件，而这些软件就相当于是嵌入式系统的一部分。
 
     内核态：当cpu在内核态运行时cpu可以执行指令集中所有的指令，包括使用硬件的功能。
   
     用户态：用户程序在用户态下运行时，只能运行cpu指令集中的一个子集，而且不具备操作硬件的功能。
   
     内核态与用户态切换：在用户态下运行没办法操作硬件，但是有时候我们的软件可能会用到硬盘里的数据，比如我们使用word打开一个文件，word必须向系统调用，

说我需要这个硬盘的数据，这个时候一个特殊的指令trap指令就会把用户态切换成内核态，从而得到想要的数据。

    存储器：
            存储器在计算机硬件中是仅次于cpu的存在，人们一直在做的工作就是尽可能将存储器变得：容量更大，速度更快，价钱更便宜。
                        

                          存储器系统采用如上图的分层结构，顶层的存储器速度较高，容量较小，与底层的存储器相比每位的成本较高，其差别往往是十亿数量级的

         内存中 又有RAM和ROM（Read Only Memory），她们俩的主要区别在于RAM存储量小且断电数据消失，而ROM存储量较RAM大且断电数据仍然可以保存。

RAM在通电情况下可以随意存取，而ROM则只读。

         还有一类存储器就是CMOS：一般用来保存计算机基本启动信息（比如：日期，时间，启动设置等），系统断电信息也不回丢失。

       磁盘  ：其实磁盘存储方式有点类似于我们以前我们的唱片机上的唱片。磁盘是一种机械装置，一般有一个或多个金属盘片，工作时的转速为5400，7200或

10800RPM。信息以二进制的形式一圈一圈的储存在磁道上，一个二进制占一个比特位bit，那么8bit=1bytes字节，

                  1024bytes=1kB，   1024kB=1MB，   1024MB=1GB，  1024G=1TB。由下图可以看出，对于磁盘的取值是使用磁盘臂，每个磁道划成若干扇区，扇区典

型的值就是512bytes，因为抓取手臂每次抓取的值也是512bytes。

                                                                          

        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。

        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。

         那么假如一个5400RPM的磁盘

                                                      平均寻道时间是：5ms

                                                     平均延迟时间是  ： 60/10800=0.01s/2=0.005=5ms

                                               那么每次抓取延迟时间为10ms

如果抓取次数足够多这个总的延迟时间会比较长，假如对一个每分钟500million请求次数来说：

                                                500MIPS  -----〉〉500 millon instruction per  second

                                                延迟时间：500000000*10/1000=5000000ms

           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）。

          输入输出设备：

                      输入设备：就是把程序员编写的程序送到计算机中去，通过翻译转换成计算机能识别的方式，输入的信息可以是文字，图片等等，输入设备常见有鼠标键盘等。

                       输出设备：将输入的信息经cpu分析处理过后的结果通过一些设备送出计算机，比如我们常见的耳机，打印机等。

 

 

         计算机启动流程：

                      1计算机通电。-----〉2.基本输入输出系统（BIOS）开始运行，检测硬件内存，硬盘，cpu等-----〉3.当BIOS在CMOS中找到启动盘会让用户选择哪种启动

系统，选择完之后-----〉〉4.从启动盘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.开始加

载bootloader（在嵌入式操作系统中，BootLoader是在操作系统内核运行之前运行。可以初始化硬件设备）启动操作系统-----〉〉〉6.然后操作系统询问BIOS，获得相应

程序配置信息。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，接下来操作系统接管计算机。