计算机核心基础知识
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计算机核心基础知识
一 关于编程
### 1 什么是编程语言？
说到编程，那就得先了解什么是编程语言，编程语言就是人与计算机进行沟通的语言。
### 2 什么是编程？
编程就是把人类的思维逻辑用计算机能听懂的语言翻译下来，并保存在文件之中，这个过程就是编程。
简单来说，就是两个步骤：
1.先将逻辑、步骤理顺；
2.再将他们翻译为python编程语言。
### 3 什么是程序？
程序就是存放代码的文件，也就是俗称的软件。
### 4 为何要编程？
为了奴役计算机，让计算机高效地代替人去工作。
二 计算机组成原理
1 关于计算机
计算机俗称电脑，即通电的大脑。我们使用计算机，是为了让计算机代替人类去工作。
2 计算机五大组成部分
1.) 控制器
控制器是计算机的指挥系统,用来控制计算机的其他组件运行。
2.) 运算器
实现算数运算和逻辑运算的部件。
PS：控制器+运算器=CPU，cpu相当于人的大脑.
3.) 存储器
是计算机用来存放所有数据和程序的记忆部件，用来存取数据。
存储器又分为内存与外存，内存相当于人的短期记忆，断电数据丢失。外存(如磁盘)，相当于记事的本子，断电数据不会丢失，是用来永久保存数据的。
4.) 输出设备input
输入设备是计算机接收外部输入数据的工具，如键盘、鼠标，相当于人的眼睛或耳朵。
5.) 输出设备output
输出设备是计算机向外输出数据的工具，如显示器、打印机。
PS：存储器如内存、磁盘等既是输入设备又是输出设备，统称为IO设备。
3 计算机三大核心硬件
1).CPU
负责数学运算与逻辑运算，执行指令————对应人脑的执行指令的功能。
2).内存
又称主存储器,负责临时记忆数据————对应人脑的记忆功能。
优点：存取IO速度都快。
缺点：断电数据丢失，所以只能用于临时保存数据。
3).硬盘
负责永久记忆数据————对应纸质笔记本的功能。
优点：断电数据仍然存在，所以用于永久保存数据。
缺点：存取IO速度都较慢。
4 运行程序与计算机硬件的关系
1).程序最先存放于硬盘中；
2).程序运行时代码从硬盘加载到内存中；
3).CPU从内存中提取指令运行程序；
4).程序所产生的数据首先存储于内存中。
5 IO问题与程序的效率
#### 1.读
把指令依赖的数据事先加载到内存，能从内存取数据就不要从硬盘取；
#### 2.写
针对要永久存放到硬盘中的数据，应该在内存中攒一定数量的数据之后，然后一次性写入硬盘。
6 CPU详解
CPU是计算机的大脑，它的运行步骤是从内存中取指令->解码->执行。
#### 1.指令集
CPU按照指令集可以分为精简指令集CPU和复杂指令集CPU两种，区别在于前者的指令集精简，每个指令的运行时间都很短，完成的动作也很单纯，指令的执行效能较佳；但是若要做复杂的事情，就要由多个指令来完成。后者的指令集每个小指令可以执行一些较低阶的硬件操作，指令数目多而且复杂，每条指令的长度并不相同。因为指令执行较为复杂所以每条指令花费的时间较长，但每条个别指令可以处理的工作较为丰富。
#### 2.x86架构与64位
x86即由Intel最早发明出来的CPU的代号，后来又在此颗CPU的基础上又进行了开发，因此这种架构的CPU就被统称为x86架构了。
64位与32位，即CPU一次性从内存中取出二进制指令的位数，64bit指的是一次性能从内存中取出64位二进制指令。
CPU具有向下兼容性，64位CPU可以兼容32位软件的运行。
#### 3.内核态与用户态
内核态：可以控制计算机硬件，即当cpu在内核态运行时，cpu可以执行指令集中所有的指令。
用户态：可以运行指令，但不包括控制cpu硬件。
#### 4 程序与进程
程序就是软件，存放代码的文件。
进程指的是程序的一次执行，是资源单位。
# PS：线程是cpu的执行单位。
多线程运行cpu保持两个不同的线程状态，可以在纳秒级的时间内来回切换，速度快到你看到的结果是并发的，伪并行的，然而多线程不提供真正的并行处理，一个cpu同一时刻只能处理一个进程(一个进程中至少一个线程) 。
7 存储器补充：ROM和CMOS
存储器除了常规的内存RAM和硬盘之外，还有一些特殊的存储硬件。
#### 1.ROM(Read Only Memory)
相当于内存，用于存放BIOS，ROM是非易失性随机访问存储，断电后内容不丢失。
#### 2.CMOS
相当于“硬盘”：断电数据丢失，但是耗电量极低。它是易失性的，用来保持当前时间和日期和保存配置的参数。
#### 3.最基础的系统，用来运行BIOS程序。
CPU
ROM
CMOS
8 硬盘详解
硬盘一般分为基于磁信号工作的磁盘和基于电信号工作的固态硬盘，目前主流的硬盘仍然是磁盘。
磁盘低速的原因是因为它一种机械装置，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。
8.1 磁道：
当磁盘旋转时，磁头若保持在一个位置上，则每个磁头都会在磁盘表面划出一个圆形轨迹，这些圆形轨迹就叫做磁道。
8.2 柱面：
把一个戈丁手臂位置上的磁道合起来，组成一个柱面。
8.3 扇区：
是指磁盘上划分的区域。磁盘上的每个磁道被等分为若干个弧段，这些弧段便是磁盘的扇区，硬盘的读写以扇区为基本单位，扇区的典型值是512字节。
数据都存放于一段一段的扇区，即磁道这个圆圈的一小段圆圈，从磁盘读取一段数据需要经历寻道时间和延迟时间。
8.4 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称为寻道时间。
8.5 平均延迟时间：
机械手臂达到正确的磁道之后，还必须等待旋转到数据所在的扇区下，这段时间称为延迟时间。
以7200转/60s的磁盘为例：
120转/s
转一圈花费：8ms
平均寻道时间：4ms
平均延迟时间：5ms
# 磁盘容量单位 TB,PB, Eb, Zb, YB
1B= 8bit(2进制位称为bit位)
1KB=2(10)B=1024B； 括号中的数字为2的指数(即多少次方)
1MB=2(10)KB=1024KB=2(20)B；
1GB=2(10)MB=1024MB=2(30)B。
1TB=2(10) GB=1024GB=2(40)B
1PB=2(10) TB=1024TB=2(50)B
1EB=2(10) PB=1024PB=2(60)B
1ZB=2(10) EB=1024EB=2(70)B
1YB=2(10) ZB=1024ZB=2(80)B
1Byte相当於一个英文字母
Kilobyte(KB)=1024B相当於一则短篇故事的内容。
Megabyte(MB)=l024KB相当於一则短篇小说的文字内容。
Gigabyte(GB)=1024MB相当於贝多芬第五乐章交响曲的乐谱内容。
Terabyte(TB)=1024GB相当於一家大型医院中所有的X光图片资讯量。
Petabyte(PB)=l024TB相当於50%的全美学术研究图书馆藏书资讯内容。
Exabyte (EB)=1024PB；5EB相当於至今全世界人类所讲过的话语。
Zettabyte(ZB)=1024EB如同全世界海滩上的沙子数量总和。
Yottabyte(YB)=1024ZB相当於7000位人类体内的微细胞总和。
8.6 虚拟内存：
虚拟内存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，这块地方称为虚拟内存，在Linux中称为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，称为存储器管理单元(Memory Management Unit MMU)。
9 I/O设备
cpu和存储器并不是操作系用唯一需要管理的资源，I/O设备也是非常重要的一环。
# **I/O设备一般包括两个部分：设备控制器和设备本身。**
# 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。
# 控制器的功能：
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。
# 设备本身：
有相对简单且标准的接口，这样大家对可以为其编写驱动程序了。想要调用设备，必须跟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。
10 总线
# 多总线模式
北桥即PCI桥：连接高速设备(CPU，内存) 。
南桥即ISA桥：连接慢速设备。
主板详图
11 启动计算机
在计算机的主板上,有一个基本的输入输出程序(Basic Input Output system) 。
BIOS就相当于一个小的操作系统，它有底层的I/O软件，包括读键盘，写屏幕，进行磁盘I/O,该程序存放于一非易失性闪存ROM中。
#### 1.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启动加载模块，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。
三 操作系统
1 什么是操作系统
操作系统是一个协调、管理、控制计算硬件资源与应用软件资源的一个控制程序。
2 什么是平台
# 平台=计算机硬件+操作系统
# 常见的平台有：windows系统+某硬件，Android+某硬件，Linux+某硬件。
# 跨平台性：
由于平台的多种多样，我们开发应用程序时就需要考虑到应用程序的跨平台性，如果能开发出一款可以在任意平台运行的应用程序，就可以极大的提高开发效率。
3 计算机体系的三层结构
1.) 应用程序/用户
2.) 操作系统(Windows、mac、Linux) ————————文件
3.) 计算机硬件(cpu、内存、硬盘) ——————————硬盘
四 编程语言分类
1 机器语言
1.) 定义：机器语言指的是能被机器直接识别的编程语言，也就是二进制，是最低级的语言，直接与机器交互。
2.) 优点：程序运行速度最快，效率最高。
3.) 缺点：
(1) 开发效率低，编程指令记忆困难；
(2) 编程过于复杂，实现简单功能都需要很多步骤。
2 汇编语言
1.) 定义：使用英文标签取代二进制指令的编程语言。
2.) 优点：
(1) 程序运行较快，仅次于机器语言；
(2) 解决了及其语言二进制指令难以记忆的问题。
3.) 缺点：编程较机器语言简便，但仍较为复杂。
3 高级语言
1.) 定义：用人类可以理解的表达方式编写程序，需要经过翻译才能被计算机理解、运行的编程语言。
2.) 分类：按照翻译方式的不同，可分为
编译型(C、GO) ：，第一次运行时翻译，以后就不需要翻译) ；
解释型(python、shell) ：，一边运行一边翻译) 两种。
运行效率：机器语言>汇编语言>高级语言(编译型>解释型)
开发效率：机器语言<汇编语言<高级语言
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