计算机硬件——基础知识

1.编程语言的作用

  语言是用来沟通的，如英语、法语、葡萄牙语等。程序员编程的本质就是让计算机去工作，而编程语言就是程序员与计算机沟通的介质。

2.操作系统和硬件的关系

  操作系统负责管理计算机系统中各种独立的硬件，使得它们可以协调工作。

3.应用程序、操作系统与硬件之间的关系

  硬件是基础，硬件需要通过操作系统系统控制来启动硬件，并让各个硬件之间相互协同工作，在系统软件的基础上是用户，用户操控的是系统软件，并在系统软件的基础上安装相应的应用程序，来完成用户所需要的工作。所以说最底层的是硬件，硬件上一层是操作系统，系统软件上一层是应用程序，而最上层的则是用户。

4.cpu、内存与磁盘之间的关系

  理解各部分功能的一个简单的方法是，把计算机各部分组件往人的身上套，比如

  cpu是人的大脑，负责运算

  内存是人的记忆，负责临时存储

  磁盘是人的笔记本，负责永久存储

5.cpu与寄存器，内核态与用户态及如何切换

  计算机的大脑就是CPU，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。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内部都有一些用来保存关键变量和临时数据的寄存器，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（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。

  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，因此，一般情况下，在用户态中有关I/O和内存保护（操作系统占用的内存是受保护的，不能被别的程序占用），当然，在用户态下，将PSW中的模式设置成内核态也是禁止的。

　内核态与用户态切换：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。

6.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，高速缓存即L2缓存，内存通常称为随机访问存储RAM，它是易失性存储，断电后数据全部消失。

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。

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。

7.磁盘结构，平均寻道时间，平均延迟时间，虚拟内存与MM

磁盘是一种机械装置，在磁盘中有一个或多个金属盘片，它们以5400，7200或10800rpm（RPM =revolutions per minute 每分钟多少转 ）的速度旋转。从边缘开始有一个机械臂悬在盘面上，这类似于老式黑胶唱片机上的拾音臂。

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。

虚拟内存可以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)

8.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）

9.设备驱动与控制器

  设备驱动是要调用设备，而根据该接口编写复杂而具体的程序。必须把设备驱动程序安装到操作系统中。

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。

10.总线与南桥和北桥

总线是总线就是连接CPU、存储器、和一切外部设备的通路。北桥即PCI桥：连接高速设备   南桥即ISA桥：连接慢速设备

11.操作系统的启动流程

  1.计算机加电

  2.BIOS开始运行，检测硬件：cpu、内存、硬盘等

  3.BIOS读取CMOS存储器中的参数，选择启动设备

  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）

  5.根据分区信息读入bootloader启动装载模块，启动操作系统

  6.然后操作系统询问BIOS，以获得配置信息。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。然后初始有关的表格（如进程表），穿件需要的进程，并在每个终端上启动登录程序或GUI

12.应用程序的启动流程

  通过输入设备向操作系统发起可执行的请求，然后操作系统根据你想启动的应用程序快捷键在硬盘中找到文件，再到内存里读取文件，就启动了应用程序。

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