python全棧 day02 電腦原理 -- 硬體

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day02 電腦原理 學習總結！

一、程式設計語言：

    電腦程式設計語言，也就是所謂的機械碼（二進位0101），是由早期的八卦陣圖演變而來，再後來的繼電器（強電接觸通1，不接觸解除0），根據這種情況演變而來的機械碼計算，及二進位。

    任何一種程式設計語言要想實現其功能，不管怎麼轉變，都必須轉換成電腦可以識別的機械碼，及二進位碼，電腦才能識別。

二、電腦構成：

     電腦是可以進行數值運算和邏輯運算，按照程式順序來執行，並具備儲存分析能力的電子裝置，它由硬體和軟體兩部分構成。

     硬體主要五大部分是：運算器（CPU），控制器，儲存空間（硬碟），輸入裝置（鍵盤，滑鼠），輸出裝置（顯示器，印表機）

     軟體分為兩大類：作業系統和應用程式

     硬體與軟體之間的關係是：

     硬體是基礎底層，作業系統是基於硬體的基礎上實現人機互動介面的中層，應用程式是作用在系統基礎上，實現使用者所需要功能的中上層。使用者是最上層。硬體運行需要作業系統的指令來控制運行，調用應用程式的過程中，硬體的工作是程式同過作業系統來間接的控制。操作指令是一級一級的下達，指令不能越級操作。

三、CPU，記憶體，硬碟的理解

     處理器：相當於電腦的大腦，在多個應用需要CPU處理的時候，CPU在同一時刻只能做一件事，應用在記憶體中緩衝，CPU處理的時候在記憶體中拿取，每個品牌的CPU都有一套自己的指令集，不同品牌間的CPU處理問題的指令是不通的。

     記憶體：記憶體相當於是處理器的秘書，由於處理器自身的記憶體很小，雖然所有的操作都需要CPU來處理，但是由於儲存不足所以不可能把所有要處理的緩衝都儲存在自己的儲存空間，所以這就體現出了記憶體的功能。將要處理的應用的緩衝暫時的儲存在記憶體上，然後CPU需要處理的話從記憶體上讀取，這樣可以高效的提高CPU的處理能力。同時記憶體的運行速度比硬碟的速度快，屬於高速，但是記憶體不能做存放裝置來使用，斷電之後資料就會丟失。

     硬碟：作為電腦的存放裝置，就是用來儲存資訊資料的裝置。

四、CPU和寄存器

     由於CPU從記憶體中讀取的速度慢，所以在記憶體和CPU之間會有一些用來儲存資料的寄存器。相當於是一個在指令低速和高速運轉之間的橋樑。

寄存器分為幾大類：

     1、通用寄存器：儲存變數和臨時結果。

     2、程式計數器：儲存應用的路徑緩衝，多線程的過程中可以及時的自動切換，程式計數器會將該應用進程自動加1，執行後不在返回。

     3、堆棧指標：先入後出

     4、程式狀態字寄存器：核心態和使用者態切換，系統臨時儲存變數緩衝，關閉視窗或是斷電丟失。

     寄存器維護：通俗的說就是進程處理完或是停止，將資料儲存後休息一下，需要的時候再載入。

     CPU處理常式是按照 取指令，解碼，執行來操作的，這三個部分的操作是並行發生的，執行的過程當中在解碼，解碼的過程當中在去指令，互不干擾，提高效率。CPU這種處理不是光有一個線程，而是有多個線程同時在工作。

五、核心態與使用者態

     核心態：系統處理，最高的優先順序，系統可以操作調用硬體。

     使用者態：應用程式，CPU會限制其優先順序的運行。

    CPU即時的在核心態和使用者態之間交換，跳轉。應用程式調用來切換核心態和使用者態，應用程式需要進行某種進程，告訴作業系統，作業系統會做系統調用給其核心態的優先順序，然後程式可以控制硬體實現進程。結束之後再切換回使用者態。

 

六、L1緩衝，L2緩衝，記憶體（RAM），EEPROM和快閃記憶體，

     L1緩衝：及寄存器，存在於CPU核心之中，於CPU之間實現無延遲的互訪。

     L2緩衝：及快取，存在於CPU內部或是非常接近CPU的緩衝之中。在CPU核心之外但是串連著所有的核心。若L2緩衝中有系統要儲存調用的東西，處理結果高速完成，則稱快取命中；反之則稱快取未命中，CPU就需要去記憶體讀取，這樣運行處理速度會感覺慢。

     記憶體：及主存是系統的隨機訪問儲存RAM，系統運行進程過程中，在快取中找不到的，都會到記憶體中找。同時記憶體是易失性儲存，斷電後資料就會全部消失。

     EEPROM：是指可擦除可程式化的隨機訪問儲存空間，檔案命令寫入儲存後不會丟失，但擦除之後再重新寫入的速度會很慢。

     快閃記憶體：一般用於移動存放裝置上，例如：移動硬碟，隨身碟，固態硬碟等。快閃記憶體的速度比磁碟快，與硬碟相比穩定性和防震強，有自我保護的程式。

七、CMOS與BIOS電池

     CMOS  BIOS電池下，保持時間和日期的一個儲存空間，由電池供電，但是儲存也是易失性的！它可以儲存BIOS系統的配置參數，BIOS系統變更後會儲存在CMOS中。

八、磁碟結構

     磁碟主要是由磁碟，機械手，磁頭組成，每個盤面上下有兩個磁頭，一塊磁碟一般是有多個這樣的盤面組成。磁碟檔案的儲存需要磁頭在盤面磁軌上燒錄，讀取的話也需要磁頭在對應的磁軌扇區內去尋找。盤面上的每圈磁軌都可以劃分成多個扇區。

     磁碟儲存大型檔案是將大檔案拆分成塊，同時儲存。由於資料都存放於一段一段的扇區，從磁碟讀取一段資料需要經曆尋道時間和延遲時間。

     平均尋道時間，指的是磁頭尋找到想讀取的資料的磁軌所花費的時間。

     平均延遲時間，指的是找到了磁軌，但是不一定是所在的資料扇區，需要磁頭旋轉到資料所在的正確位置。

九、虛擬記憶體與MMU

     大檔案運行，記憶體不足的話，系統將緩衝在硬碟上的虛擬記憶體運行，速度慢，虛擬記憶體運行相當於是從記憶體中取出待執行的程式，執行的話再放回。兩者之間是映射關係，虛擬記憶體，記憶體，CPU之間是MMU（儲存空間嵌入式管理單元）關係。

十、磁帶

     儲存速度很慢，但是容量大，可移動性強，普遍應用於儲存領域。

十一、裝置驅動與控制器

     控制器是指串連裝置的介面後相對應的一個或是一組控制晶片，他負責從系統接收到命令控制所接裝置。

裝置驅動指：所接裝置正常運行所對應的控制軟體。

十二、匯流排與南橋和北橋

     匯流排：指電腦各種功能組件之間傳送資訊的公用通訊幹線。主機的各個組件通過匯流排相串連，外接裝置通過相應的介面電路再與匯流排相串連。

    隨著電腦的複雜化，資訊傳遞的增多，處理的速度越來越快，單匯流排模式不再適用進而出現了多匯流排模式。在多匯流排模式中，存在北橋和南橋。北橋即PCI橋，連通著CPU，記憶體等這些高速裝置；南橋即ISA橋，串連著硬碟，顯示器，USB匯流排等這些低速裝置。同時南北橋之間互聯，實現資訊的互動通訊。

十三、作業系統的啟動流程

     1、開機裝置加電；

     2、BIOS運行，檢查硬體，讀取CMOS儲存空間系統配置參數，選擇啟動裝置；

     3、讀鍵盤，點亮顯示器，讀取系統硬碟設定檔；

     4、讀入bootloader啟動裝載模組，然後啟動作業系統。

     5、系統詢問BIOS擷取配置資訊，檢查裝置驅動是否存在，不存在會提示使用者安裝。存在會存入核心。

十四、應用程式的啟動流程

     外接滑鼠通過控制器傳遞作業系統移動游標操作雙擊案頭捷徑；

     捷徑通過作業系統，調用磁碟內對應路徑的檔案；

     應用程式正常運行，在案頭啟動。

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