day1、2 计算机基础

1 初识计算机

1.1 计算机硬件组成

​ 一个程序的运行与三大核心硬件（cpu、内存、硬盘）的关系

1.2 操作系统

​ 2.1 计算机体系的三层结构

​ 2.2 平台与跨平台的概念

1.3扫盲

​ cpu 相关（x86-64 代表的意义）

​ 存储器相关（IO 问题）

​ 操作系统启动流程

1.4 python 是一门编程语言

语言其实就是人与人之间沟通的介质，如英语，汉语，俄语等。

而编程语言则是人与计算机之间沟通的介质。

那么为何要有编程语言，或者说人为何要与计算机沟通呢？这是因为在编程的世界里，计算机就好比是人的奴隶，人与计算机沟通的目的就是为了奴役计算机，让计算机按照人类的思维逻辑自发地去工作从而把人力解放出来。

2 计算机基础

2.1 什么是计算机

​ 计算机俗称“电脑”,包含人对计算机的终极期望，能够真的像人脑一样去工作

2.2 为何要有计算机

​ 为了执行人类的程序，从而把人类解放出来大前提：计算机所有的组成都是模仿人的某一功能或器官

2.3 计算机的组成

• 控制器：

  ​ 作用：是计算机的指挥系统，负责控制计算机所有其他组件如何工作的

  ​ 类比：控制器=》人类的大脑的控制功能

• 运算器：

  ​ 作用：运算包括数学运算与逻辑运算

  ​ 类比：运算=》人类的大脑的运算功能

  ​ 控制器+运算器=》cpu===》人类的大脑

• 存储器/IO 设备

  ​ 作用：是计算机的记忆功能，负责数据的存取

• 分类：

  ​ 内存（基于电工作）：存取数据都快，断电数据丢失，只能临时存取数据

  ​ 外存（硬盘，基于磁工作）：存取速度都慢，断电数据也不丢，可以永久保存数据

  ​ 类比：

  ​ 内存===》人类的大脑的记忆功能

  ​ 外存===》人的笔记本

  ​ 输入设备 input如键盘、鼠标

  ​ 输出设备 output如显示器、打印机

2.4 一个程序的运行与三大核心硬件的关系

• 人--------------编程语言------------->计算机

• 总结：

  程序最先是存放于硬盘之上

  程序的运行一定事先把程序的代码加载到内存

  然后 cpu 从内存中读取指令执行

3 操作系统

3.1 引入

对于不同公司的开发者来说，应用程序的业务逻辑各不相同，但硬件的控制程序都大致相同，为了避免所有程序员做重复劳动，以及不用再耗费精力去了解所有硬件的运行细节，有公司专门跳出来承担起控制程序的开发任务，这里所说的控制程序指的就是操作系统。

3.2 操作系统概念

操作系统是一个协调、管理、控制计算机硬件资源与应用软件资源的一个控制程序

• 作用：

  1、控制计算机硬件的基本运行

  2、把使用硬件的复杂操作封装成简单的功能，给上层的应用程序使用例如：文件就是操作系统提供给应用程序/用户操作硬盘的一种功能

  3、程序的区分。计算机硬件是死的，计算机硬件的运行都受软件控制，所以说，软件相当于计算机的灵魂，具体来说软件分为两种：

  ​ 1、应用软件：应用程序相关逻辑

  ​ 2、系统软件：控制底层硬件的

  ​ 4、计算机系统三层结构

  ​ 应用程序

  ​ 操作系统

  ​ 计算机硬件

  ​ 5、平台

  ​ 计算机硬件+操作系统=》平台

  ​ 软件的跨平台性指的是：一款软件可以任意平台上运行，是衡量软件质量高低的一个非常重要的指标

4 计算机硬件

4.1 cpu 详解

cpu 的分类与指令集

x86-64（*****）

cpu 具有向下兼容性

64 的 cpu 既能运行 32 位的程序也能运行 64 位的程序

• 内核态与用户态（*****）

  • 代表 cpu 的两种工作状态

    1、内核态：运行的程序是操作系统，可以操作计算机硬件

    2、用户态：运行的程序是应用程序，不能操作计算机硬件

  • 内核态与用户态的转换

    应用程序的运行必然涉及到计算机硬件的操作，那就必须有用户态切换到内核态下才能实现，所以计算机工作时在频繁发生内核态与用户态的转换

• 多线程与多核芯片

  2 核 4 线程：

  2 核代表有两个 cpu，4 线程指的是每个 cpu 都有两个线程=》假 4 核4 核 8 线程

  4 核代表有 4 个 cpu，8 线程指的是每个 cpu 都有两个线程=》假 8 核

4.2 存储器

• RAM：内存

• ROM：“只读内存”

• 存放计算机厂商写死计算机上的一段核心程序=》BIOS

• CMOS：存取速度慢，断电数据丢失，耗电量极低

• 硬盘：

  • 机械硬盘:磁盘

  • 磁道：一圈数据，对应着一串二进制（1bit 代表一个二进制位）

    8bit 比特位=1Bytes 字节

    1024Bytes=1KB

    1024KB=1MB

    1024MB=1GB

    1024GB=1TB

    1024TB=1PB

    200G=20010001000B

  • 扇区：

    一个扇区通过为 512Bytes，站在硬盘的解读，一次性读写数据的最小单为为扇区

    操作系统一次性读写的单位是一个 block 块=》8 扇区的大小=4096Bytes

  • 柱面

  • 固态硬盘

  • IO 延迟（*****）

  平均寻道时间：机械手臂转到数据所在磁道需要花费的时间，受限于物理

  工艺水平，目前机械硬盘可以达到的是 5ms

  平均延迟时间：转半圈需要花费 4ms，受限于硬盘的转速IO 延迟=平均寻道时间+平均延迟时间

  优化程序运行效率的一个核心法则：能从内存取数据，就不要从硬盘取

• 虚拟内存

  IO 设备=设备的控制+设备本身

4.3 总线

4.4 操作系统的启动流程

• BIOS 介绍：

  BIOS：Basic Input Output System

  BIOS 被写入 ROM 设备

• 裸机：

  cpu
  
  ROM：充当内存，存放 BIOS 系统
  
  CMOS：充当硬盘
  

• 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BIOS1、存有 win10 系统的光盘、u 盘、移动硬盘：无密码
  

• 应用程序的启动流程

  1、双击 exe 快捷方式--》exe 文件的绝对路径，就是在告诉操作系统说：我有一个应用程序要执行，应用程序的文件路径是（exe 文件的绝对路径）
  
  2、操作系统会根据文件路径找到 exe 程序在硬盘的位置，控制其代码从硬盘加载到内存
  
  3、然后控制 cpu 从内存中读取刚刚读入内存的应用程序的代码执行，应用程序完成启动