编程语言与操作系统之间的关系

    编程语言如python，他的作用就是告诉操作系统要做什么，之后操作交给操作系统去运行。就像菜谱一样，编程语言告诉操作系统需要倒油，放葱姜蒜，然后翻炒，最后出锅。

操作系统则为用户提供了一个平台，使计算机硬件更形象的体现在使用者面前，用户只需要去操作系统，就可以很好的控制计算机各个硬件的运作，而不需要考虑需要怎么做，该怎么做。

操作系统与硬件之间，操作系统控制硬件为用户工作，而不用用户去管理硬件运行。

编程语言的目的是为了做出一个软件，相应的，变成语言也是一种应用软件，运行在操作系统之上，通过操作系统来调取计算机硬件资源为之工作。

计算机硬件知识

cpu与内存，磁盘的联系

   cpu作为高速运算设备，具有很快的运行速度，数据处理是存储设备的几倍，如果没有内存的加入，CPU与磁盘之间会产生很高的硬件资源浪费，CPU等待磁盘去读出数据给CPU处理。内存（内存是一种高速存储设备，比硬盘速度快）的加入使处理器与磁盘中间出现了一个缓存，大量的待处理数据可以放入内存中等待处理器去运算，CPU无须等待硬盘缓慢的读取速度，而可以高效的运算。

 CPU寄存器及用户态内核态的联系

    什么是寄存器？寄存器的分类有哪些？

      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CPU内部就需要一些用来保存关键变量和临时数据设备，这些设备被称为寄存器。

       寄存器在使用的环境不同中可分为1，通用存储器：用来保存一些关键变量和临时结果

                                                         2，程序计数器：它保存了将要取出下一条指令的内存空间。

                                                         3，堆栈指针：只想内存中堆栈的顶端。保存每一个没有退出的过程的框架。

                                                         4，程序状态字寄存器：保存了指令运行的结果和指令状态，中断信息等……

用户态与内核态

多数CPU中都会有这两种状态，psw中有一个二进制位来控制这两种模式切换。

   什么是用户态？

     用户态是应用软件在用户状态下运行，运算调用了CPU的一个子集，（子集中不包含硬件指令）无法调用cpu整个指令集，在psw中的模式也是禁止状态。

   什么是内核态？

   在cpu内核状态下运行，可以执行指令集中的所有指令，包含硬件的使用指令。

内核态与用户态的切换使用。

   在应用软件的过程中，一般情况下使用用户态去完成一些任务，有一些任务则会调用硬件去完成，在此过程中，应用软件不能无权限的随意调用硬件资源，由此就需要操作系统去加以控制使用，当应用软件需要使用硬件的时候，通过对操作系统发出请求，操作系统做出响应给予硬件调用。其中中psw二进位的变化去完成切换操作。

存储器基本知识

存储器分为缓存，内存，磁盘，磁带

缓存

缓存就是数据缓冲区cache，用于高速设备数据的处理的缓冲。

缓存速度快，在cpu中的一级缓存接近与CPU，cpu访问该缓存无延迟。

二级缓存为高速存储交换，在二级缓存中牵扯到一个CPU数据读取的命中率。

由于二级缓存由硬件控制，内存中的高速缓存行 按照0-64字节为行，64-127为行1。当某个应用访问存储时，硬件检查该数据是否在高速缓存行内。如果是，则命中，直接读取使用。如果没有则调用总线向内存发出访问，从内存读取数据进行处理。

闪存与EEPROM，都是非易失性存储器，可反复进行擦写，速度比硬盘快。体积小，便于携带。

CMOS与BIOS电池

CMOS是一块易失性存储芯片，掉电后数据丢失，在CMOS中存储了计算机时间及启动顺序信息及计算机一些配置信息，为防止计算机关机后CMOS丢失数据，计算机中都为CMOS配备一块电池，防止信息丢失。

在内存的分类中，分为两种，一种是易失性内存（RAM），掉电后数据消失，还有一种为非易失性内存（ROM），速度快且不会因为掉电而造成数据丢失，通常用在引导操作系统bios芯片中。

我们计算机中的主存储器就是RAM，易失性内存。

磁盘，也就是硬盘，作为一种低速但是容量大的存储设备，在计算机中一直担任着数据保存的主要角色。大容量的优点，使其一直得以在计算机中使用（主要是固态硬盘成本太高，容量太小且不稳定。）硬盘是一种通过机械操读取数据的设备，内部由盘片，磁头，驱动马达进行控制读取数据。

 硬盘结构示意图

硬盘的性能主要看转速，容量。

转速是指磁盘在硬盘中每分钟的旋转速度，速度越快，相对的获取数据越快。

硬盘的容量是已二进制位bit来存储的，我们所说的磁盘容量就是说硬盘可以存储多少二进制位。

当硬盘需要存储数据时，会将大数据进行分块处理，没块儿分为4kB，进行数据的写入，这样做的目的是为了硬盘的高效运作

硬盘的读取过程由盘片的旋转，磁头寻道配合完成。

数据的存储最小单位是磁道，磁头读过后切换下一条磁道，把一个戈丁手臂上位置的所有磁道合成，则是一个柱面。

其中每个磁道化成若干扇区，这个扇区典型值为512字节

硬盘的平均寻道时间就是硬盘在得到读取数据的请求后，机械臂从伺服状态进入工作状态，寻找磁道。

硬盘的平均延迟时间就是硬盘在到达正确磁道后，数据信息是否在这个扇区，如果在直接读取，不在则等待扇区扇面的到达。

虚拟内存的概念MMU内存管理单元

虚拟内存的使用是为了缓解大型软件在内存中使用，内存容量不够的问题。虚拟内存是在硬盘中划出来一块与内存的交换空间，把软件中一些不关键数据保存到硬盘中，当内存需要调用的时候，mmu内存管理单元会在内存与虚拟内存中建立映射关系，交换内存与虚拟内存中的数据。

磁带

磁带的价值在于容量大且价格低廉，在地震水灾中转移性强，常用来做备份使用。

IO设备及设备控制器

I/O设备为计算机提供标准接口，和规范的协议，程序员可以根据标准协议对设备进行复杂编程操作，从而为硬件提供驱动给操作系统。

设备控制器负责连接各个设备，接受操作系统指令对设备进行调用，为操作系统提供一个清晰的管理端口。

设备驱动与控制器

硬件安装后需要安装驱动才能与操作系统做出沟通，当系统需要调用该硬件的时候，就需要控制器去协调使用，根据进程的优先级进行排队，插队中断使用。

总线与南北桥控制器

系统总线用于传输设备的数据信息，控制信息，和地址信息。在系统总线中又可细分为数据总线和控制总线，设备地址总线。

南北桥芯片用于控制总线设备，如显卡，内存，声卡，网卡等

南桥芯片连接低速设备如（usb，ATA,PCI）

北桥芯片连接高速设备（如CPU，内存，PCI-E等）

计算机启动过程

计算机加电，BIOS检测硬件，CPU,内存，硬盘，读取CMOS启动设置，启动设备，读取引导硬盘引导程序bootloader加载启动模块启动操作系统。从BIOS中或许硬件配置信息，检测硬件时候存在驱动程序，有，则调入内核，无则提示用户硬件驱动缺失。

应用软件的启动顺序

用户使用鼠标操作双击应用快捷方式，操作系统做出响应按照路径查找应用软件数据，找到数据存入内存中，数据提交到缓存中交由CPU进行数据处理，cpu完成数据处理后返还结果，操作系统做出响应，应用软件打开。

计算机基础知识