学Python语言为何要先学习计算机基础:计算机基础是在以后所有技术的基石，打好基础我们才能更好的学习其他技术。

一、计算机系统的组成

计算机系统分为：硬件、操作系统、软件。软件如果需要调动硬件，需要通过计算机系统的帮助，软件无法直接调用计算机硬件。

二、计算机硬件

    计算机的硬件的基本组成为：CPU、内存、硬盘、I/O设备，这些设备由总线把他们连接在一起。

    CPU是整个计算机的核心，负责计算机的控制和运算。

    内存负责计算机的暂时性储存，由于是通过电信号写入储存器，所以断电后信息会全部消失。

    硬盘耐久度好，有着永久性储存的特性，储存空间较大。固态硬盘与普通硬盘基本相同，但是有着快速读写的，质量轻的优点，但是价格比较昂贵，容量也相对较低。

    输入设备指的是向计算机输入数据和信息的设备，例如键盘，鼠标等。

    输出设备指的是计算对外的数据的显示和输出设备，例如显示器，音箱等。

三、计算机各部分硬件介绍

    1.处理器

    CPU是计算机的核心硬件，负责对储存器中的指令进行解释、处理、自行操作，使我们在计算机的操作得以实现。每个CPU都有一套专供自己执行的指令。

    CPU的工作过程一般是提取指令→解码→执行，在储存器中提取指令后通过寄存器把提取的指令进行处理。寄存器是CPU内部的组成部分，储存空间有限，但是是高速储存的部件，可以用来暂存指令、数据和地址。寄存器是为了加快对指令提取速度的硬件：因为CPU如果从内存中直接提取的指令速度低下，为了提高速度，才有了和CPU材质相同的寄存器来提高速度。

    寄存器大体分为以下几类：

    1.1通用寄存器：用来保存和暂存数据。

    1.2程序计数器：（CPU在同一时刻只能处理一条指令，如果多条指令需要执行的时候，就必须分多次把这条指令执行完成，程序计数器就是在执行下一条指令的时候，保存当前指令的执行进度，以便再次执行时快速开始）在取指令的过程中，需要根据当前指令存放的地址，将指令从内存存放到寄存器中，当有其他的指令需要继续提取分析时，会在寄存器中保存其指令地址，在执行完成前一件指令后，在取出下一条指令的地址，继续执行，完成每一条的指令。程序计数器就是为了使计算机能够连续快速的完成工作，在执行完上一条指令后，能够快速的提取下一条指令进行执行。

    1.3堆栈指针：堆栈指针总是指向栈顶的位置，这个是一种线性的处理方式，只能从栈的最顶端插入或者删除，第一个入栈的数据需要最后一个才能出栈（先进去后出来）。主要用来保存临时数据、局部变量和输入参数。

    1.4程序状态寄存器：程序状态寄存器的PSW是一个存放状程序运行中各种状态信息的寄存器。其中包括一种二进制控制模式：叫做内核态和用户态，来控制对CPU的操作。

    内核态：是操作系统的CPU运行状态，CPU对操作系统完全允许，可以使用硬件的所用功能。

    用户态：是应用程序的CPU运行状态，应用程序只能执行部分操作，无法操作硬件的功能。

    两种状态的区别是：能不能直接对硬件进行访问，内核态可以，用户态不可以。

    但是应用程序的操作需要从硬件获取支持，就必须要从用户态切换到内核态，这种切换过程叫做系统调用。在这个切换工程中，系统调用会修改程序状态寄存器中的二进制位，内核态就启动了。

    当多个程序同时启动的时候，操作系统会经常中止某程序并启动另一个程序，每当停止一个正在运行的程序时，操作系统将会保存所有的寄存器，稍后如果这个程序再次启动时，这些寄存器将重新载入。

    为了提高效率节省时间，取指、解码、执行这三个过程被设计成流水线进行执行，三个过程互不耽误大大提高了效率。在超变量CPU中，多个执行单元共同工作，负责不同的任务，当两个及更多的指令解码同时被取出时，会一并装入一个保持缓冲区中，当一个执行单元空闲时，就会检查保持缓冲区中是否还有待处理的指令，从而从中选取完成指令。

    moore定律指出，芯片中的晶体管数量每18个月翻一倍，随着晶体管数量增多，CPU功能获得增强：

    第一步增强：CPU芯片中加入更大的缓存，材料同CPU相同。

    第二步增强：CPU可以“同时进行多个进程”称为多线程，其中进程是资源单位，线程是执行单位。因为硬件的性能提高，才会产生多线程这个概念。

    第三步增强：一个CPU包含多（二或四）个独立的CPU芯片，每个核都有自己的一级缓存，如果这几个核想互相通信，需要通过二级缓存来联系（因特尔）。也有每个核都有自己的独立的一级缓存和二级缓存的多核芯片（AMD）。

    CPU有向下的兼容性：64位CPU，其中的位指的是二进制，一次取指可以取出64个二进制位，32位的软件可以在64位上运行。

    2.储存器

    储存器中，访问速度从快到慢分别是：寄存器、高速缓存、内存、磁盘、磁带，容量大小正好相反。

    寄存器即L1缓存：材质跟CPU材质一样，速度一样快。

    高速缓存即L2缓存：没有一级缓存快，存放一些CPU经常使用的字。CPU在高速缓存找到所需的字称为高速缓存命中，反正为高速缓存未命中。

     内存：是易失性，断电后数据全部丢失。

     非易失性随机访问储存如ROM：在出厂时上边已经写好需要的程序，切断电源时不会丢失。

     闪存：也是非易失性，他是基于电方式存储的，不同于内存的是，断电数据不丢失，一般应用于固态硬盘和便携式音译播放器的磁盘。固态硬盘读取速度快，比机械硬盘更加坚固。

     CMOS：是易失性的，一般存储时间、计算机的一些配置参数（BLOS），因为是易失性的，所以在它的电路中会安装一枚电池，因为其耗电很小，往往可以用很多年。

    3.磁盘

    磁盘中有机械手臂，机械手臂上的磁头会读取磁盘上的数据，类似于黑胶唱片机。

    磁盘上的数据都是二进制，数据存放到一段段的扇区上，是磁道上的一小段小圆圈。

    8个二进制位组成一个字节：8个bit=1bytes、1024bytes=1KB、1024KB=1MB。

    扇区是512bytes，是最小的读写单位。在Linux操作系统下一个block块=8个扇区，即8*512bytes=4096bytes=4KB。

    机械手臂从磁面找到数据所在磁道的那个圆圈的时间叫寻道时间。平均找到每一个数据磁道的时间叫做平均寻道时间。

    机械手臂找到所需数据的扇区的时间，叫做延迟时间。平均找到数据扇区的时间叫做平均延迟时间。

    虚拟内存：当所运行程序需要的内存大于计算机的物理内存时，就会把程序的一部分内存放入硬盘中的一块特定空间，这部分空间就叫做虚拟内存。虚拟内存可以让计算机运行大于其物理内存的程序。当放入虚拟硬盘的那部分程序需要放回原程序中时，他们所需要的转换的映射关系叫做MMU。程序运行到一定状态时所产生的数据状态，下次运行需要调用的叫做上下文，当再次启动该程序需要继续调用时叫做上下文切换，表示程序切换的一个单位。

    4.磁带

    因为容量大主要用来做备份用的，而且可移动性强。

    5.I/O设备

    一般包括设备控制器和设备本身

    控制器：是主板上的一块芯片或一组芯片，负责控制连接的设备。需要有与之配套的相应程序来使操作系统能控制设备。

    6.总线

    北桥即PCI桥：连接高速设备。南桥即ISA桥：连接慢速设备

   7.计算机的启动

    计算机有一个输入输出程序，叫做BLOS，写在主板上，启动时会先加载此程序。

    启动流程：

    1.1插入电源开机

    1.2BLOS开始运行，开始检测硬件是否正常工作。

    1.3BLOS读取CMOS储存器上的参数，启动设备，比如系统盘放在了哪里，就会提示启动该系统盘。

    1.4从启动设备上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）。

    1.5根据分区信息读入bootloader启动装载模块，启动操作系统，负责把操作系统的代码往硬盘中读取。

    1.6操作系统询问BLOS，获得配置信息，检测系统设备驱动，如果没有，系统会要球用户安装设备驱动。操作系统就将它们调入内核，然后计算机就启动成功了。

    打开软件时输入设备会向操作系统提交一个操作请求，操作系统从硬盘找到文件，找到后往内存中读入，然后程序运行起来。

计算机基础：计算机硬件