python 學習day1--電腦群組成原理

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1. Python是一款程式設計語言，用於程式員與電腦的溝通，即程式員可以通過編程讓電腦實現某些特定功能。

用程式語言開發程式，最終開發出的是一個軟體，目前我們使用的軟體均是需要運行在作業系統之上的，我瞭解到之前也有過在沒有作業系統的環境下實現編程，但是太過複雜，難以滿足現在應用軟體的需求。作業系統是運行於硬體之上，來控制硬體的。

2.應用程式-》作業系統-》硬體 （電腦 = 硬體 + 作業系統 + 應用程式）

電腦硬體包含：運算器、控制器、儲存空間、輸入裝置、輸出裝置，例如常見的電腦系統一般是由一個或多個處理器、主存、磁碟、印表機、鍵盤、滑鼠、顯示器、網路介面以及機箱、音響等各種輸入/輸出裝置群組成。

作業系統：主要負責管理電腦硬體資源，控制其他程式運行並為使用者提供互動操作介面的系統軟體的集合。是一種運行在核心態的軟體。

軟體（應用程式）：指使用各種不同的程式設計語言（C、C++、JAVA、Ruby、Python等等）、通過各種開發工具並基於各種作業系統開發的——軟體。例如Word、QQ。

CPU、記憶體以及I/O裝置都由一條系統匯流排（bus）串連起來並通過匯流排與其他裝置通訊。

3.cpu-》記憶體-》磁碟（三者讀取資料速度的比較：cpu>記憶體>磁碟）

cpu是人的大腦，負責運算（CPU是核心，電腦的大腦就是CPU，它從記憶體中取指令->解碼->執行，然後再取指->解碼->執行下一條指令，周而復始，直至整個程式被執行完成。每個cpu都有一套可執行檔專門指令集，任何軟體的執行最終都要轉化成cpu的指令去執行。）

記憶體是人的記憶，負責臨時儲存（記憶體：1. 負責硬碟等硬體上的資料與CPU之間資料交換處理；2. 緩衝系統中的臨時資料。3. 斷電後資料丟失）

硬碟是人的筆記本，負責永久儲存（硬碟：儲存資料和軟體等資料的裝置，有容量大，斷電資料不丟失的特點。）

 4.cpu與寄存器，核心態與使用者態及如何切換

由於訪問記憶體和CPU執行指令存在時間差，為了更高效，出現了寄存器，所有CPU內部都有一些用來儲存關鍵變數和臨時資料的寄存器。

寄存器種類：通用寄存器、程式計數器、堆棧指標、程式狀態字寄存器(PSW)

程式狀態字寄存器(PSW)：這個寄存器包含了條碼位(由比較指令設定)、CPU優先順序、模式（使用者態或核心態），以及各種其他控制位。使用者通常讀入整個PSW，但是只對其中少量的欄位寫入。在系統調用和I/O中，PSW非常非常非常非常非常非常重要

核心態：擷取CPU所有的指令集，包含計算，包含硬體方面的操作使用者態：擷取部分CPU的指令集，不包含硬體方面的操作，包含計算使用者態和核心態指的是CPU的兩種工作狀態，兩者可以互相轉換。通常， PSW中有一個二進位位控制這兩種模式。

核心態與使用者態切換　　

　　當進程在執行使用者自己的代碼時，我們稱其處於使用者態。使用者態下工作的軟體不能操作硬體，但是我們的軟體比如暴風影音，一定會有操作硬體的需求，比如從磁碟上讀一個電影檔案，那就必須經曆從使用者態切換到核心態的過程，為此，使用者程式必須使用系統調用（system call），系統調用陷入核心並叫用作業系統，當一個進程執行系統調用而陷入核心代碼中執行時，我們就稱進程處於核心態。

5.儲存空間系列，L1緩衝，L2緩衝，記憶體（RAM），EEPROM和快閃記憶體，CMOS與BIOS電池

L1緩衝：在cpu晶片中加入更大的緩衝，一級緩衝L1，用和cpu相同的材質製成，cpu訪問它沒有時延

L2緩衝：當某個程式需要讀一個儲存字時，快取硬體檢查所需要的快取行是否在快取中。如果是，則稱為快取命中，緩衝滿足了請求，就不需要通過匯流排把訪問請求送往主存(記憶體)，這畢竟是慢的。快取的命中通常需要兩個刻度。快取為了命中，就必須訪問記憶體，這需要付出大量的時間代價。快取價格昂貴，大小有限，有些機器具有兩級甚至三級快取，每一級快取比前一級慢但是容易大。L1與L2的差別在於對cpu對L1的訪問無時間延遲，而對L2的訪問則有1-2個刻度（即1-2ns）的延遲。

記憶體（RAM）：（隨機存取儲存空間）主存是易失性儲存，斷電後資料全部消失

EEPROM：在電源切斷之後，非易失性儲存的內容並不會丟失。ROM唯讀記憶體在工廠中就被編程完畢，然後再也不能修改，EEPROM與ROM區別就是可以擦除和重寫

快閃記憶體：非易失性。快閃記憶體在速度上介於RAM和磁碟之間，但與磁碟不同的是，快閃記憶體擦除的次數過多，就被磨損了。

CMOS：易失性。許多電腦利用CMOS儲存空間來保持目前時間和日期。CMOS儲存空間和遞增時間的電路由一小塊電池驅動，所以，即使電腦沒有加電，時間也仍然可以正確地更新，除此之外CMOS還可以儲存配置的參數，比如，哪一個是啟動磁碟等，之所以採用CMOS是因為它耗電非常少，一塊工廠原裝電池往往能使用若干年，但是當電池失效時，相關的配置和時間等都將丟失

BIOS電池：主板電池，主要用於記錄電腦系統的時間，也就是維持系統時鐘的準確性。電量不夠時，時間會回到出廠日期，還有記錄啟動時要用的硬體資訊，也就是維持CMOS的BIOS資訊。

6.磁碟結構，平均尋道時間，平均延遲時間，虛擬記憶體與MMU

磁碟結構：由磁頭、磁軌、扇區、柱面組成、

磁軌：每個磁頭可以讀取一段換新地區，稱為磁軌

扇區：每個磁軌劃成若干扇區，扇區是磁碟層級的最小讀寫單位：512Bytes，作業系統層級的最小讀寫單位是：1 block=8*512Bytes

柱面：把一個戈丁手臂位置上所以的磁軌合起來，組成一個柱面

資料都存放於一段一段的扇區，即磁軌這個圓圈的一小段圓圈，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：機械手臂從一個柱面隨機移動到相鄰的柱面的時間稱為尋道時間，找到了磁軌就意味著找到了資料所在的那個圓圈，但是還不知道資料在這個圓圈的具體位置

平均延遲時間：機械臂到達正確的磁軌之後還必須等待旋轉到資料所在的扇區下，這段時間稱為延遲時間

虛擬記憶體：該機制使電腦可以運行大於實體記憶體的程式，方法是將正在使用的程式放入記憶體取執行，而暫時不需要執行的程式放到磁碟的某塊地方，這塊地方稱為虛擬記憶體，在linux中稱為swap

MMU：這種機制的核心在於快速地映射記憶體位址，由cpu中的一個組件負責，稱為儲存空間嵌入式管理單元(MMU)

7.磁帶

在價錢相同的情況下比硬碟擁有更高的儲存容量，雖然速度低於磁碟，但是因其大容量，在地震水災火災時可移動性強等特性，常被用來做備份。（常見於大型資料庫系統中）

8.裝置驅動與控制器

控制器：控制器負責控制串連的裝置，它從作業系統接收命令，比如讀硬碟資料，然後就對硬碟裝置發起讀請求來讀出內容。提供給作業系統一個簡單而清晰的介面

裝置磁碟機：要想調用裝置，必鬚根據該介面編寫複雜而具體的程式，必須把裝置驅動程式安裝到作業系統中。

9.匯流排與南橋和北橋

匯流排：資料匯流排：用於傳送資料資訊。/地址匯流排：是專門用來傳送地址的。/控制匯流排：用來傳送控制訊號和時序訊號。這裡是按照功能分類，還可以按照層次和傳輸方式分類。

北橋即PCI橋：串連高速裝置 例如：CPU、主儲存空間

南橋即ISA橋：串連慢速裝置 例如：磁碟

10.作業系統的啟動流程

在電腦的主板上有一個基本的輸入輸出程式（Basic  Input Output system)

BIOS就相當於一個小的作業系統，它有底層的I/O軟體，包括讀鍵盤，寫螢幕，進行磁碟I/O,該程式存放於一非易失性快閃記憶體RAM中。

啟動電腦過程：

10.1.電腦加電

10.2.BIOS開始運行，檢測硬體：cpu、記憶體、硬碟等

10.3.BIOS讀取CMOS儲存空間中的參數，選擇啟動裝置

10.4.從啟動裝置上讀取第一個扇區的內容（MBR主引導記錄512位元組，前446為引導資訊，後64為分區資訊，最後兩個為標誌位）

10.5.根據分區資訊讀入bootloader啟動裝載模組，啟動作業系統

10.6.然後作業系統詢問BIOS，以獲得配置資訊。對於每種裝置，系統會檢查其裝置驅動程式是否存在，如果沒有，系統則會要求使用者按照裝置驅動程式。一旦有了全部的裝置驅動程式，作業系統就將它們調入核心。然後初始有關的表格（如進程表），穿件（？）需要的進程，並在每個終端上啟動登入程式或GUI

11.應用程式的啟動流程

當我們在電腦上開啟QQ時（右鍵-開啟 或者雙擊QQ表徵圖），其實是通過滑鼠（輸入裝置）向CPU發送了一條命令，CPU接收到這條命令後，QQ程式就從硬碟裡被載入到記憶體（載入時不通過處理器，直接從硬碟載入程式到記憶體裡），載入完成後，CPU就開始執行QQ程式。程式執行起來後，CPU可以讓QQ程式顯示在我們的在顯示器上。也就是你看到了QQ 程式運行起來了。如果這個時候，你用QQ截取了一張螢幕的圖片，那麼這張圖片會首先儲存到記憶體，在沒有退出截屏狀態時，你可以在這張圖片上寫字、畫線條，等你右鍵儲存這張圖片的時候，這張圖片就會儲存到硬碟裡。

 

其他：

*對使用者來說一個有兩個線程的cpu就相當於兩個cpu，進程是資源單位而線程才是cpu的執行單位。

*“進程是擁有資源的最小單位，線程是CPU調度的最小單位。”

由於進程擁有著電腦的資源，因而其內部線程可以方便的訪問其內部的各種資源。

一個cpu同一時刻只能處理一個進程（一個進程中至少一個線程）

 總結：

只是可以理解，但是還沒有轉化為自己可以描述出來的知識。

有些圖片沒有放上去，添加圖片可以更直觀。

僅限於理解課堂知識，沒有很好的發散思維。

 

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