计算机基础
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计算机基础
一.引言
基础计算机课程共分成四大块：计算机组成原理，数据结构，操作系统和计算机网络。今天兄弟总结了一点点干货给大家瞧一瞧，算做一个入门，嘿嘿！
二.计算机基础介绍
（一）计算机组成
1.计算机层次结构
计算机硬件 +系统软件+应用软件
2.计算机组成和计算机体系结构
计算机体系结构是指那些能够被程序员所见到的计算机系统的属性，如指令系统、寻址地址组成及I/O机理等。计算机组成是指如何实现体系结构所体现的属性，包含对程序员透明的硬件细节，如组成计算机系统的各个功能部件的系统和功能，及相互连接方法等。
3.计算机的构成
硬件系统+软件系统
硬件系统 ：运算器+控制器+存储器+输入设备+输出设备
运算器：是负责算数运算与逻辑运算。与控制器共同组成了中央处理器（CPU）
控制器：是负责发送和接收指令
存储器：是用来存储正在进行程序，将要进行程序的数据及刚处理完的数据
输入设备：是用来进行输入的设备。如键盘，扫描仪等
输出设备：是用来进行输出的设备。如显示器，音箱等。
主板：安装了组成计算机的主要电路系统，一般有BIOS芯片，I/O控制芯片，键和面板开关接口，指示灯插接件，扩充插槽，主板及插卡的直流电源供电接插件等元件。
软件系统：系统软件+应用软件
4.硬件，软件及用户的关系：
硬件是基础，硬件通过系统软件控制来启动硬件，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，用户操纵的是操作系统，并在系统软件的基础上安装相应的应用软件，来完成用户所需的工作。所以说最底层的是硬件，硬件上是系统软件，系统软件上一层是应用软件，而最上层的是用户。
5.编程语言
1.用来定义计算机程序的形式语言，分为机器语言，汇编语言和高级语言。
2.编程语言被设计专门使用在计算机上，用来定义算法和数据结构。
（二）数据结构
1.数据结构是计算机存储、组织数据的方式。数据结构是指相互之间存在一种或多种特定关系的数据元素的集合。通常情况下，精心选择的数据结构可以带来更高的运行或者存储效率。数据结构往往同高效的检索算法和索引技术有关
（三）操作系统
1.操作系统（Operating System,简称OS）是管理和控制计算机硬件与软件资源的计算机程序，是直接运行在“裸机”的最基本的系统软件，任何其他软件都必须在操作系统的支持下才能运行。操作系统是用户和计算机的接口，同时也是计算机硬件和其他软件的接口，功能包括管理计算机系统的硬件，软件及数据资源，控制程序运行，改善人机界面，为其他应用软件提供支持，为其他软件的开发提供必要的服务和相应的接口等。实际上，用户不用接触操作系统的，操作系统管理着计算机硬件资源，同时按照应用程序的资源请求，分配资源，如划分CPU时间，内存空间的开辟，调用打印机等。
2.操作系统发展
第一代（真空管和穿孔卡片）——第二代（晶体管和批处理系统）——第三代（集成电路芯片和多道程序设计）——第四代（个人计算机）
（四）计算机网络
1.计算机网络，是指将地理位置不同的具有独立功能的多肽计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，在网络操作系统，网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。
2.网络七层模型
应用层: 网络服务和最终用户的一个接口 HTTP FTP SMTP TFTP SNMP DNS TELNET HTTPS POP3 DHCP
表示层：数据的表示，安全，压缩。（若5层则加入应用层）格式: JPEG ASCII DECOIC 加密格式
会话层: 建立，管理，终止回话。（若5层则加入应用层）对应主机进程，指本地主机和远程主机正在进行的回话。
传输层: 定义传输数据的协议端口号，以及流控和差错校验。TCP UDP 数据包一旦离开网卡即进到网络传输层。
网络层：进行逻辑地址寻址，实现不同网络之间的路径选择。ICMP IGMP IP(IPV4 IPV6) ARP RARP
数据链路层：建立逻辑链接，进行硬件地址寻址，差错校验等功能。（由底层网络定义协议）将比特组合成字节从而组合成帧，用MAC地址访问介质，错误发现但不能纠正。
物理层：建立，维护，断开物理衔接。（由底层网络定义协议）
3.IP地址分类
（1）公有地址：Inter NIC机构分配给注册组织机构的IP地址。
（2）私有地址：
A类：10.0.0.0~10.255.255.255 子网掩码：255.0.0.0
B类：172.16.0.0~172.31.255.255 子网掩码：255.255.0.0
C类：192.168.0.0~192.168.255.255 子网掩码：255.255.255.0
三.计算机工作过程
根据冯·诺依曼的设计，分为：1.取出指令 2.分析指令 3.执行指令 4.为执行下一条指令做好准备，即取出下一条指令地址
四.计算机硬件介绍
（一）流程：内核-CPU（发送指令集）-寄存器—内存-操作系统-应用软件
（二）CPU：发送指令集（取指令-解码-执行）
（三）内存：负责临时存储
（四）寄存器：保存关键变量和临时数据
分类：1.通用寄存器 帮忙保存临时变量
2.程序计数器 保存将要取出的下一条指令的内存地址，指令取出后，程序计算器就被更新以便执行后期的指令。
3.堆栈指针 指向内存中当前栈的顶端，该栈包含已经进入但还没有推出的每个过程中的一个框架，在一个过程的堆栈框架保存了有关的输入参数，局部变量及那些没有保存在寄存器中的临时变量。
4.程序状态字寄存器（PSW）包含条码位（由比较指令设置），CPU优先级，模式（用户态或内核态），以及各种其他控制位。用户通常读入整个PSW，但只对其中少量的字段写入。在系统调用和I/O中，PWS！！！
（五）堆栈，堆，队列 ！！！
队列只能在队头做删除工作，在队尾做插入工作，而栈只在栈顶做插入和删除操作。队列好比火车进洞，“先进先出，后进后出“，
栈就是一个桶，“先进后出，后进先出“
堆是在程序运行时，不是在程序编译时，申请某个大小的内存空间，即动态分配内存。堆可以随心所欲的增加和删除变量，不遵循什么次序，开心就好-.-
堆是程序运行中申请的动态内存，栈只是一种使用堆的方法“先进后出”，两者都是存放数据的地方。
（六）处理器的设计
流水线式的设计，执行n,对n+1解码，并读取n+2。
（七）CPU的两种模式
内核态：执行指令集所有指令（全能）
用户态：仅执行指令集中一个子集（权限控制）
内核态↔用户态 （系统调用） 通过操作系统改二进制
（八）多线程和多核芯片
1.进程：资源单位（地铁n号线） 线程：执行单位（线路）
2. Intel和AMD （L2缓存比内存快点）
（九）存储器
1.分类: 寄存器，高速缓存，内存，磁盘，磁带
2.寄存器：L1缓存
高速缓存：L2缓存
主存：随机访问存储RAM,易失性存储，断电后数据全部消失
非易失性随机访问存储：ROM（不能修改），EEPROM和闪存(flash memory) （可擦除和重写，但时间比ROM多）
易失性存储：CMOS，保存当前时间和日期，如电池驱动，还可以保存配置的参数，省电。
（十）磁盘
1.数据存放一段段的扇区
2.8个bit=1Bytes bit:二进制位
1024Bytes=1kB
1024kB=1MB
一个block=8个扇区
3.虚拟内存
将正在使用的程序放入内存中执行，暂时不需要的程序放到磁盘的某个地方。
swap交换分区
PCB：上下文切换，CPU从一个进程或线程到另一个进程或线程，只发生在内核态中。
（十一）磁带
1. 同价钱比硬盘更大存储量，易携带，但速度慢。
2.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
3. 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
（十二）I/O设备
1.组成：设备控制器和设备本身
2.设备驱动：逻辑设备名转换成设备的物理地址，启动指定的I/O设备，完成程序规定的I/O操作，并对由设备发来的中断请求进行及时响应，根据中断类型进行相应的处理。
3.控制方式：
有四种I/O控制方式，即程序I/O控制方式、中断驱动I/O控制方式、直接存储器访问DMA控制方式及I/O通道控制方式。
程序直接控制方式的工作过程非常简单，但在循环测试中浪费了大量的CPU处理时间，所以CPU的利用率相当低。
用中断方式交换数据时，每处理一次I/O数据交换，都会耗去一定的CPU处理时间，为减少中断对CPU造成的负担，对于一些高速的外围设备，以及成组交换数据的情形来说，例如磁盘驱动器，仍然显得速度太慢。可以将一部分I/O任务交给一个的专用DMA控制器。
DMA方式一般用于高速传送成组的数据。其优缺点如下：
优点：操作均由硬件电路实现，传输速度快，CPU仅在初始化和结束时参与，不干预数据传送，可以减少大批量数据传输时CPU的开销。CPU与外设并行工作，效率高。
缺点：DMA方式也有一定的局限性，这是因为DMA方式在初始化和结束时仍由CPU控制，DMA方式周期挪用内存总线，CPU和DMA交替访问内存，通过硬件线路分时地控制这两者对总线的使用权，使得CPU计算效率下降。
（十三）总线
1.北桥: 即PCI桥，连接高速设备
2.南桥：即ISA桥，连接慢速设备
（十四）计算器启动过程
加电——BOIS运行，检测硬件（cpu,内存，硬盘）——BIOS读取CMOS存储器中的参数，选择启动设备——从启动设备行读取第一个扇区的内容（MBR）——根据分区信息读入bootloader启动装载模块，启动操作系统——操作系统询问BIOS，获得配置信息——初始化相关表格，加载进程，并在终端启动登录或GUI
（十五）应用程序的启动过程
点击应用程序（软件）→软件将数据写入内存→CPU从内存中读取数据并执行然后返回内存→启动软件
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