计算机基础初识

一、编程语言的作用及与操作系统和硬件的关系

1、编程语言的作用

语言对于大家来说并不陌生，我们每个人每天正是靠语言来互相沟通，是沟通的介质，按照语种来说有汉语、英语、德语、法语、阿拉伯语等等，而编程语言又是什么呢？顾名思义，编程语言是程序猿用来编写程序所使用的、用来和计算机沟通的计算机语言，是程序猿和计算机沟通交流的介质。我们所使用的各种软件正是用编程语言编写而成。

2、操作系统和硬件的关系

现代的计算机系统由硬件系统和软件系统组成，硬件系统主要是由一个或者多个处理器，主存，硬盘，键盘，鼠标，显示器，打印机，网络接口及其他输入输出设备组成，很复杂。如果每位应用程序员都必须掌握该系统所有的细节，那就没有那么多的时间和精力再编写代码了。因为管理这些部件并加以优化使用，是一件极富挑战性的工作，于是，计算安装了一层软件（系统软件），称为操作系统。简单言之，操作系统就是一个协调、管理和控制计算机硬件资源和软件资源的控制程序，它的任务就是为用户程序提供一个更好、更简单、更清晰的计算机模型，并管理刚才提到的所有设备。有了操作系统，程序猿就可以从这些繁琐的工作中解脱出来，只需要考虑自己的应用软件的编写就可以了，应用软件直接使用操作系统提供的功能来间接使用硬件。

二、应用程序、操作系统与硬件

应用程序是程序猿开发出来的应用软件，并不属于操作系统，而是运行于操作系统之上的应用软件，是操作系统的实际客户。操作系统本质上是一个软件，处于计算机硬件和应用程序之间。而对于应用程序和硬件之间的关系来说，其实很多应用软件是共用一套计算机硬件的，比如：有可能有三个应用程序(a、b、c、)同时需要申请打印机来输出内容。为了使用硬件，必须在操作系统上安装该硬件的驱动程序才可发挥正常作用，如显卡驱动、声卡驱动等等。

三、CPU、内存与磁盘的关系

CPU是中央处理器，是计算机的大脑，负责运算它从内存中取指令->解码->执行，然后再取指->解码->执行下一条指令，周而复始，直至整个程序被执行完成。每个CPU都有一套可执行的专门指令集，任何软件的执行最终都要转化成CPU的指令去执行。

内存是计算机的记忆，负责临时存储，计算机断电之后数据便会消失，磁盘是计算机的笔记本，负责永久存储，即使断电也没关系，依然可以找到。磁盘的容量可能远大于内存的容量，但是磁盘的读写速度却比不上内存快速。所以，CPU不会直接从磁盘读取数据，因为速度较慢，而是内存先从磁盘读取数据，然后CPU再将数据从内存中读取出来，这样的话，可大大提升计算机的运行速度。

四、CPU与寄存器，内核态与用户态及如何切换

什么是寄存器呢？？寄存器是用和CPU相同材料制成的用于保存关键变量和临时数据的，因访问内存以得到指令或数据的时间比CPU执行指令花费的时间要长得多，所以，所有CPU内部都有一些寄存器，这样通常在CPU的指令集中专门提供一些指令，用来将一个字（可以理解为数据）从内存调入寄存器，以及将一个字从寄存器存入内存。CPU其他的指令集可以把来自寄存器、内存的操作数据组合，或者用两者产生一个结果，比如将两个字相加并把结果存在寄存器或内存中。

内核态和用户态是CPU的两种工作状态。

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，很明显，所有的指令中包含了使用硬件的所有功能，（操作系统在内核态下运行，从而可以访问整个硬件）

用户态：用户程序在用户态下运行，仅仅只能执行CPU整个指令集的一个子集，该子集中不包含操作硬件功能的部分（操作系统占用的内存是受保护的，不能被别的程序占用）

内核态和用户态之间如何切换呢？

用户态下工作的软件不能操作硬件，但是我们的软件比如暴风影音，一定会有操作硬件的需求，比如从磁盘上读一个电影文件，那就必须经历从用户态切换到内核态的过程，为此，用户程序必须使用系统调用（system call），系统调用陷入内核并调用操作系统，TRAP指令把用户态切换成内核态，并启用操作系统从而获得服务。把系统调用看成一个特别的的过程调用指令就可以了，该指令具有从用户态切换到内核态的特别能力。

五、存储器系列：L1缓存，L2缓存，内存（RAM），EEPROM和闪存，CMOS与BIOS电池

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，内存中有高速缓存行按照0~64字节为行0，64~127为行1。。。最常用的高速缓存行放置在CPU内部或者非常接近CPU的高速缓存中。

内存（RAM）：RAM(Random Access Memory)的全名为随机存取记忆体，它相当于PC机上的移动存储，用来临时存储和保存数据的。它在任何时候都可以读写，RAM通常是作为操作系统或其他正在运行程序的临时存储介质(可称作系统内存)。

不过，当电源关闭时RAM不能保留数据，如果需要保存数据，就必须把它们写入到一个长期的存储器中(例如硬盘)。正因为如此，有时也将RAM称作“可变存储器”。

ROM：非易失性随机访问存储如ROM（Read Only Memory，ROM），在电源切断之后，非易失性存储的内容并不会丢失，ROM只读存储器在工厂中就被编程完毕，然后再也不能修改。ROM速度快且便宜

EEPROM和闪存：

EEPROM（Electrically Erasable PROM，电可擦除可编程ROM）和闪存（flash memory）也是非易失性的，但是与ROM相反，他们可以擦除和重写。不过重写时花费的时间比写入RAM要多。在便携式电子设备中中，闪存通常作为存储媒介。闪存是数码相机中的胶卷，是便携式音译播放器的磁盘，还应用于固态硬盘。闪存在速度上介于RAM和磁盘之间，但与磁盘不同的是，闪存擦除的次数过多，就被磨损了。

CMOS：CMOS，它是易失性的，许多计算机利用CMOS存储器来保持当前时间和日期。CMOS存储器和递增时间的电路由一小块电池驱动，所以，即使计算机没有加电，时间也仍然可以正确地更新，除此之外CMOS还可以保存配置的参数，比如，哪一个是启动磁盘等，之所以采用CMOS是因为它耗电非常少，一块工厂原装电池往往能使用若干年，但是当电池失效时，相关的配置和时间等都将丢失它是易失性的，许多计算机利用CMOS存储器来保持当前时间和日期。

BIOS电池：BIOS是 Basic Input/Output System 的缩写,它的意思是基本输入/输出系统,BIOS是电脑开机后必须调用的程序,检测程序都由BIOS提供,BIOS更是配件之间的一个数据交换和协调中心。而BIOS电池是安装在主板正面的一颗直径1cm的钮扣电池，它的主要作用是给CMOS充电，以持续保存储存在CMOS中的BIOS信息。

六、磁盘结构，平均寻道时间，平均延迟时间，虚拟内存与MMU

磁盘结构是一个立体结构，它是由一个个盘片、磁道、扇区、磁头和柱面组合而成的。如图：

图1

图1 中绿色圆弧部分是扇区。

图2

图2展示了由一个个盘片组成的磁盘立体结构，一个盘片上下两面都是可读写的，图中蓝色部分叫柱面。

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道时间，找到了磁道就找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

虚拟内存与MMU：

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 Unit MMU)

七、磁带

在价钱相同的情况下磁带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）

八、设备驱动与控制器

控制器是查找主板上的一块芯片或一组芯片（硬盘，网卡，声卡等都需要插到一个口上，这个口连的便是控制器），控制器负责控制连接的设备，它从操作系统接收命令，比如读硬盘数据，然后就对硬盘设备发起读请求来读出内容。通常情况下对设备的控制是非常复杂和具体的，控制器的任务就是为操作系统屏蔽这些复杂而具体的工作，提供给操作系统一个简单而清晰的接口，有了相对简单的接口且标准，这样大家都可以为其编写驱动程序了。要想调用设备，必须根据该接口编写复杂而具体的程序，于是有了控制器提供设备驱动接口给操作系统，必须把设备驱动程序安装到操作系统中。