计算机组成原理

1. Python是一款编程语言，用于程序员与计算机的沟通，即程序员可以经过编程让计算机实现某些特定功能。

用程序语言开发程序，最终开发出的是一个软件，目前咱们使用的软件均是需要运行在操做系统之上的，我了解到以前也有过在没有操做系统的环境下实现编程，可是太过复杂，难以知足如今应用软件的需求。操做系统是运行于硬件之上，来控制硬件的。

2.应用程序-》操做系统-》硬件 （计算机 = 硬件 + 操做系统 + 应用程序）

计算机硬件包含：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备，例如常见的计算机系统通常是由一个或多个处理器、主存、磁盘、打印机、键盘、鼠标、显示器、网络接口以及机箱、音响等各类输入/输出设备组成。

操做系统：主要负责管理计算机硬件资源，控制其余程序运行并为用户提供交互操做界面的系统软件的集合。单纯的说操做系统是是运行于内核态，是不许确的。

软件（应用程序）：指使用各类不一样的编程语言（C、C++、JAVA、Ruby、Python等等）、经过各类开发工具并基于各类操做系统开发的——软件。例如Word、QQ。

CPU、内存以及I/O设备都由一条系统总线（bus）链接起来并经过总线与其余设备通讯。

3.cpu-》内存-》磁盘（三者读取数据速度的比较：cpu>内存>磁盘）

cpu是人的大脑，负责运算（CPU是核心，计算机的大脑就是CPU，它从内存中取指令->解码->执行，而后再取指->解码->执行下一条指令，周而复始，直至整个程序被执行完成。每一个cpu都有一套可执行的专门指令集，任何软件的执行最终都要转化成cpu的指令去执行。）

内存是人的记忆，负责临时存储（内存：1. 负责硬盘等硬件上的数据与CPU之间数据交换处理；2. 缓存系统中的临时数据。3. 断电后数据丢失）

硬盘是人的笔记本，负责永久存储（硬盘：存储资料和软件等数据的设备，有容量大，断电数据不丢失的特色。）

 4.cpu与寄存器，内核态与用户态及如何切换

因为访问内存和CPU执行指令存在时间差，为了更高效，出现了寄存器，全部CPU内部都有一些用来保存关键变量和临时数据的寄存器。

寄存器种类：通用寄存器、程序计数器、堆栈指针、程序状态字寄存器(PSW)

程序状态字寄存器(PSW)：这个寄存器包含了条码位(由比较指令设置)、CPU优先级、模式（用户态或内核态），以及各类其余控制位。用户一般读入整个PSW，可是只对其中少许的字段写入。在系统调用和I/O中，PSW很是很是很是很是很是很是重要

内核态：获取CPU全部的指令集，包含计算，包含硬件方面的操做

用户态：获取部分CPU的指令集，不包含硬件方面的操做，包含计算

用户态和内核态指的是CPU的两种工做状态，二者能够互相转换。一般， PSW中有一个二进制位控制这两种模式。

内核态与用户态切换　　

　　当进程在执行用户本身的代码时，咱们称其处于用户态。用户态下工做的软件不能操做硬件，可是咱们的软件好比暴风影音，必定会有操做硬件的需求，好比从磁盘上读一个电影文件，那就必须经历从用户态切换到内核态的过程，为此，用户程序必须使用系统调用（system call），系统调用陷入内核并调用操做系统，当一个进程执行系统调用而陷入内核代码中执行时，咱们就称进程处于内核态。

5.存储器系列，L1缓存，L2缓存，内存（RAM），EEPROM和闪存，CMOS与BIOS电池

L1缓存：在cpu芯片中加入更大的缓存，一级缓存L1，用和cpu相同的材质制成，cpu访问它没有时延

L2缓存：当某个程序须要读一个存储字时，高速缓存硬件检查所须要的高速缓存行是否在高速缓存中。若是是，则称为高速缓存命中，缓存知足了请求，就不须要经过总线把访问请求送往主存(内存)，这毕竟是慢的。高速缓存的命中一般须要两个时钟周期。高速缓存为了命中，就必须访问内存，这须要付出大量的时间代价。高速缓存价格昂贵，大小有限，有些机器具备两级甚至三级高速缓存，每一级高速缓存比前一级慢可是容易大。L1与L2的差异在于对cpu对L1的访问无时间延迟，而对L2的访问则有1-2个时钟周期（即1-2ns）的延迟。

内存（RAM）：（随机存取存储器）主存是易失性存储，断电后数据所有消失

EEPROM：在电源切断以后，非易失性存储的内容并不会丢失。ROM只读存储器在工厂中就被编程完毕，而后不再能修改，EEPROM与ROM区别就是能够擦除和重写

闪存：非易失性。闪存在速度上介于RAM和磁盘之间，但与磁盘不一样的是，闪存擦除的次数过多，就被磨损了。

CMOS：易失性。许多计算机利用CMOS存储器来保持当前时间和日期。CMOS存储器和递增时间的电路由一小块电池驱动，因此，即便计算机没有加电，时间也仍然能够正确地更新，除此以外CMOS还能够保存配置的参数，好比，哪个是启动磁盘等，之因此采用CMOS是由于它耗电很是少，一块工厂原装电池每每能使用若干年，可是当电池失效时，相关的配置和时间等都将丢失

BIOS电池：主板电池，主要用于记录计算机系统的时间，也就是维持系统时钟的准确性。电量不够时，时间会回到出厂日期，还有记录启动时要用的硬件信息，也就是维持CMOS的BIOS信息。

6.磁盘结构，平均寻道时间，平均延迟时间，虚拟内存与MMU

磁盘结构：由磁头、磁道、扇区、柱面组成

磁道：每一个磁头能够读取一段换新区域，称为磁道

扇区：每一个磁道划成若干扇区，扇区是磁盘级别的最小读写单位：512Bytes，操做系统级别的最小读写单位是：1 block=8*512Bytes

柱面：把一个戈丁手臂位置上因此的磁道合起来，组成一个柱面

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须要经历寻道时间和延迟时间

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，找到了磁道就意味着找到了数据所在的那个圆圈，可是还不知道数据在这个圆圈的具体位置

平均延迟时间：机械臂到达正确的磁道以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

虚拟内存：该机制使计算机能够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取执行，而暂时不须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

MMU：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(MMU)

7.磁带

在价钱相同的状况下比硬盘拥有更高的存储容量，虽然速度低于磁盘，可是因其大容量，在地震水灾火灾时可移动性强等特性，常被用来作备份。（常见于大型数据库系统中）

8.设备驱动与控制器

控制器：控制器负责控制链接的设备，它从操做系统接收命令，好比读硬盘数据，而后就对硬盘设备发起读请求来读出内容。提供给操做系统一个简单而清晰的接口

设备驱动器：要想调用设备，必须根据该接口编写复杂而具体的程序，必须把设备驱动程序安装到操做系统中。

9.总线与南桥和北桥

总线：数据总线：用于传送数据信息。/地址总线：是专门用来传送地址的。/控制总线：用来传送控制信号和时序信号。这里是按照功能分类，还能够按照层次和传输方式分类。

北桥即PCI桥：链接高速设备 例如：CPU、主存储器

南桥即ISA桥：链接慢速设备 例如：磁盘

10.操做系统的启动流程

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就至关于一个小的操做系统，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RAM中。

启动计算机过程：

10.1.计算机加电

10.2.BIOS开始运行，检测硬件：cpu、内存、硬盘等

10.3.BIOS读取CMOS存储器中的参数，选择启动设备

10.4.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）

10.5.根据分区信息读入bootloader启动装载模块，启动操做系统

10.6.而后操做系统询问BIOS，以得到配置信息。对于每种设备，系统会检查其设备驱动程序是否存在，若是没有，系统则会要求用户按照设备驱动程序。一旦有了所有的设备驱动程序，操做系统就将它们调入内核。而后初始有关的表格（如进程表），穿件（？）须要的进程，并在每一个终端上启动登陆程序或GUI

11.应用程序的启动流程

当咱们在电脑上打开QQ时（右键-打开 或者双击QQ图标），实际上是经过鼠标（输入设备）向CPU发送了一条命令，CPU接收到这条命令后，QQ程序就从硬盘里被加载到内存（加载时不经过处理器，直接从硬盘加载程序到内存里），加载完成后，CPU就开始执行QQ程序。程序执行起来后，CPU可让QQ程序显示在咱们的在显示器上。也就是你看到了QQ 程序运行起来了。若是这个时候，你用QQ截取了一张屏幕的图片，那么这张图片会首先保存到内存，在没有退出截屏状态时，你能够在这张图片上写字、画线条，等你右键保存这张图片的时候，这张图片就会保存到硬盘里。

 

其余：

*对用户来讲一个有两个线程的cpu就至关于两个cpu，进程是资源单位而线程才是cpu的执行单位。

*“进程是拥有资源的最小单位，线程是CPU调度的最小单位。”

因为进程拥有着计算机的资源，于是其内部线程能够方便的访问其内部的各类资源。

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）

 总结：

只是能够理解，可是尚未转化为本身能够描述出来的知识。

有些图片没有放上去，添加图片能够更直观。

仅限于理解课堂知识，没有很好的发散思惟。