计算机核心基础详解
一、CPU详解
1. CPU的分类与指令集
1） 指令集
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。这些指令不会自发地运行，由人类控制它才运行
指令集的分类：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，才会完成这一件事实现复杂的操作
- 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（如：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
拓展：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
2） CPU的分类
- x86架构：指的是CPU的型号，或者说cpu架构的一种统称
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
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
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位：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
二进制的由来：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：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
2. 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
- 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，也就是说在当前的状态下，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：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：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：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
3. 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
二、存储器
- 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
1. RAM
RAM 英文全称 random access memory，又叫随机存取存储器，是一个可存可取的内存，断电数据丢失，就是我们通常所说的内存
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
3. CMOS
存放BIOS程序产生的数据，比如：启动设备的优先级等
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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）
-
缺点：数据容易丢失，断电数据丢失
4. 硬盘
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，对应一串二进制数
单位换算
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：
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硬盘的一次性读写数据的最小单位就是扇区，1个扇区为512Bytes
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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） 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
5. IO延迟
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
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）
- 平均延迟时间
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
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
1.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
2.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）
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：Liunx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
7. 磁带
一般用于备份，价格低，容量大，便于携带
三、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
四、操作系统的启动流程
裸机下的三大硬件
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CPU
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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
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CMOS：充当硬盘，存放BIOS程序产生的数据
安装系统的启动流程
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计算机通电
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BIOS开始运行，检测硬件：CPU、内存、硬盘等
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BIOS读取CMOS存储器中的参数，选择启动设备
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从启动设备上（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字节为主导信息，后64字节为分区信息，最后2字节为标志位）
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根据分区信息读入 boot loader 启动加载模块，启动真正意义上的操作系统。（该分区信息指的就是上面所读取第一个扇区内容的后64个字节的分区信息）
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然后真正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
安装操作系统后的三大硬件
- 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
五、密码破解与相关信息
破解操作系统设置的密码
- 那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
- 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
- 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
- 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
六、应用程序的启动流程
- 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）
- 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
- 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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