一 为什么要学习计算机基础
python是编程语言，即python是语言html
语言有英语、法语、葡萄牙语等，但凡是语言，都是用来沟通的介质。python
程序员编程的本质就是让计算机去工做，而编程语言就是程序员与计算机沟通的介质linux
程序员要想让计算机工做，必须知道计算机能干什么，怎么干的，这也就是咱们必须学习计算机基础的缘由程序员
然而光有编程语言和硬件也并不能知足你们的编程需求，为何这么说呢？web
程序用编程语言写程序，最终开发出的结果就是一个软件，既然是软件，那就与腾讯qq、暴风影音、快播等软件没有区别了。这些软件必须运行在操做系统之上，你确定会问：为什么要有操做系统呢？没错，远古时代的程序员确实是在没有操做系统的环境下，用编程语言之间操做硬件来编程的，你可能以为这没有问题，但其实问题是至关严重的，由于此时你必须掌握如何操做硬件的全部具体细节，好比如何具体操做硬盘（如今你得把硬盘拆开，而后你能看见的全部的东西，你都得研究明白，由于你编程时要用到它），这就严重影响了开发的效率，操做系统的出现就是运行于硬件之上，来控制硬件的，咱们开发时，只须要调用操做系统为咱们提供的简单而优雅的接口就能够了数据库
因此一套完整的计算机系统分为：计算机硬件，操做系统，软件（程序员开发的就是软件），以下图。于是咱们的python编程之路分为计算机硬件基础，操做系统基础，和python编程三部分，就让咱们先从计算机硬件学起吧编程
二 本节目标
- 了解计算机各组件及工做原理
- 了解计算机启动流程
三 计算机硬件发展史
http://www.cnblogs.com/lianxuebin/p/8341543.html缓存
四：计算机硬件介绍
从概念上讲，一台简单的我的计算机能够抽象为相似下图的模型，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网络
现代计算机的结构更复杂，包括多重总线，咱们将在后面的小节介绍，此时暂且让咱们如下图为例来介绍各个部件多线程
理解各部分功能的一个简单的方法是，把计算机各部分组件往人的身上套，好比
cpu是人的大脑，负责运算
内存是人的记忆，负责临时存储
硬盘是人的笔记本，负责永久存储
输入设备是耳朵或眼睛，负责接收外部的信息传给cpu
输出设备是你的表情，负责通过处理后输出的结果
以上全部的设备都经过总线链接，总线至关于人的神经
上课开始，老师讲课，学生听课，老师是程序员，学生是计算机，学生的器官都是计算机各部分组成
1.老师经过学生的眼睛和耳朵将本身的知识/指令传给学生（输入）
2.学生在接收知识/指令后，经过本身的神经，将其放入本身的内存/短时间记忆（总线、内存）
3.学生的大脑/cpu从短时间记忆里取出知识/指令，分析知识/指令，而后学习知识/执行指令 （cpu取指、分析、执行）
4.学生的表情会直接反映出本身是否听懂，这就是输出，老师瞅一眼就知道学生有没有学会（输出）
5.学生想要永久将知识保存下来，只能拿出一个笔记本，把刚刚学会的知识都写到本子上，这个本子就是硬盘（磁盘）
4.1 处理器
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。因此Pentium（英特尔第五代x86架构的微处理器）不能执行SPARC（另一种处理器）的程序。这就比如不一样的人脑，对于大多数人类来讲，人脑的结构同样，因此别人会的东西你也均可以会，但对于爱因斯坦的脑子来讲，它会的你确定不会。
因访问内存以获得指令或数据的时间比cpu执行指令花费的时间要长得多，因此，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，这样一般在cpu的指令集中专门提供一些指令，用来将一个字（能够理解为数据）从内存调入寄存器，以及将一个字从寄存器存入内存。cpu其余的指令集能够把来自寄存器、内存的操做数据组合，或者用二者产生一个结果，好比将两个字相加并把结果存在寄存器或内存中。
寄存器的分类：
1.除了用来保存变量和临时结果的通用寄存器外
2.多数计算机还有一些对程序员课件的专门寄存器，其中之一即是程序计数器，它保存了将要取出的下一条指令的内存地址。在指令取出后，程序计算器就被更新以便执行后期的指令
3.另一个寄存器即是堆栈指针，它指向内存中当前栈的顶端。该栈包含已经进入可是尚未退出的每一个过程当中的一个框架。在一个过程的堆栈框架中保存了有关的输入参数、局部变量以及那些没有保存在寄存器中的临时变量
4.最后 一个很是重要的寄存器就是程序状态字寄存器(Program Status Word,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
寄存器的维护：
操做系统必须知晓全部的寄存器。在时间多路复用的CPU中，操做系统会常常停止正在运行的某个程序并启动（或再次启动）另外一个程序。每次中止一个运行着的程序时，操做系统必须保存全部的寄存器，这样在稍后该程序被再次运行时，能够把这些寄存器从新装入。
处理器设计的演变
1.最开始取值、解码、执行这三个过程是同时进行的，这意味着任何一个过程完成都须要等待其他两个过程执行完毕，时间浪费
2.后来被设计成了流水线式的设计，即执行指令n时，能够对指令n+1解码，而且能够读取指令n+2,彻底是一套流水线。
3.超变量cpu，比流水线更加先进，有多个执行单元，能够同时负责不一样的事情，好比看片的同时，听歌，打游戏。
两个或更多的指令被同时取出、解码并装入一个保持缓冲区中，直至它们都执行完毕。只有有一个执行单元空闲，就检查保持缓冲区是否还有可处理的指令
这种设计存在一种缺陷，即程序的指令常常不按照顺序执行，在多数状况下，硬件负责保证这种运算结果与顺序执行的指令时的结果相同。
内核态与用户态
除了在嵌入式系统中的很是简答的CPU以外，多数CPU都有两种模式，即内核态与用户态。
一般，PSW中有一个二进制位控制这两种模式。
内核态：当cpu在内核态运行时，cpu能够执行指令集中全部的指令，很明显，全部的指令中包含了使用硬件的全部功能，（操做系统在内核态下运行，从而能够访问整个硬件）
用户态：用户程序在用户态下运行，仅仅只能执行cpu整个指令集的一个子集，该子集中不包含操做硬件功能的部分，所以，通常状况下，在用户态中有关I/O和内存保护（操做系统占用的内存是受保护的，不能被别的程序占用），固然，在用户态下，将PSW中的模式设置成内核态也是禁止的。
内核态与用户态切换
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，TRAP指令把用户态切换成内核态，并启用操做系统从而得到服务。
请把的系统调用当作一个特别的的过程调用指令就能够了，该指令具备从用户态切换到内核态的特别能力。
异常处理
须要强调的是，计算机使用TRAP来执行系统调用，多数的TRAP是由硬件引发的，用于警告有异常状况发生，如试图1/0等操做。在全部的状况下，操做系统都获得控制权并决定如何处理异常状况，有时，因为出错的缘由，程序不得不中止。在其余的状况下能够忽略出错，若是程序已经提早宣布它但愿处理某类异常时，那么控制权还必须返回给程序，让其处理相关的问题
多线程和多核芯片
moore定律指出，芯片中的晶体管数量每18个月翻一倍，随着晶体管数量的增多，更强大的功能称为了可能，如
I.第一步加强：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
II.第二步加强：一个cpu中的处理逻辑增多，intel公司首次提出，称为多线程（multithreading）或超线程（hyperthreading），对用户来讲一个有两个线程的cpu就至关于两个cpu，咱们后面要学习的进程和线程的知识就起源于这里，进程是资源单位而线程才是cpu的执行单位。
多线程运行cpu保持两个不一样的线程状态，能够在纳秒级的时间内来回切换，速度快到你看到的结果是并发的，伪并行的，然而多线程不提供真正的并行处理，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）
III.第三步加强：除了多线程，还出现了傲寒2个或者4个完整处理器的cpu芯片，以下图。要使用这类多核芯片确定须要有多处理操做系统
4.2 存储器
计算机中第二重要的就是存储了，全部人都意淫着存储：速度快（这样cpu的等待存储器的延迟就下降了）+容量大+价钱便宜。而后同时兼备三者是不可能的，因此有了以下的不一样的处理方式
存储器系统采用如上图的分层结构，顶层的存储器速度较高，容量较小，与底层的存储器相比每位的成本较高，其差异每每是十亿数量级的
寄存器即L1缓存：
用与cpu相同材质制造，与cpu同样快，于是cpu访问它无时延，典型容量是：在32位cpu中为32*32，在64位cpu中为64*64，在两种状况下容量均<1KB。
高速缓存即L2缓存：
主要由硬件控制高速缓存的存取，内存中有高速缓存行按照0~64字节为行0，64~127为行1。。。最经常使用的高速缓存行放置在cpu内部或者很是接近cpu的高速缓存中。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。高速缓存为命中，就必须访问内存，这须要付出大量的时间代价。因为高速缓存价格昂贵，因此其大小有限，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。
缓存在计算机科学的许多领域中起着重要的做用，并不只仅只是RAM（随机存取存储器）的缓存行。只要存在大量的资源能够划分为小的部分，那么这些资源中的某些部分确定会比其余部分更频发地获得使用，此时用缓存能够带来性能上的提高。一个典型的例子就是操做系统一直在使用缓存，好比，多数操做系统在内存中保留频繁使用的文件（的一部分），以免从磁盘中重复地调用这些文件，相似的/root/a/b/c/d/e/f/a.txt的长路径名转换成该文件所在的磁盘地址的结果真后放入缓存，能够避免重复寻找地址，还有一个web页面的url地址转换为网络地址(IP)地址后，这个转换结果也能够缓存起来供未来使用。
缓存是一个好方法，在现代cpu中设计了两个缓存，再看4.1中的两种cpu设计图。第一级缓存称为L1老是在CPU中，一般用来将已经解码的指令调入cpu的执行引擎，对那些频繁使用的数据自，多少芯片还会按照第二L1缓存 。。。另外每每设计有二级缓存L2，用来存放近来常用的内存字。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：
再往下一层是主存，此乃存储器系统的主力，主存一般称为随机访问存储RAM，就是咱们一般所说的内存，容量一直在不断攀升，全部不能再高速缓存中找到的，都会到主存中找，主存是易失性存储，断电后数据所有消失
除了主存RAM以外，许多计算机已经在使用少许的非易失性随机访问存储如ROM（Read Only Memory，ROM），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。ROM速度快且便宜，在有些计算机中，用于启动计算机的引导加载模块就存放在ROM中，另一些I/O卡也采用ROM处理底层设备的控制。
EEPROM（Electrically Erasable PROM，电可擦除可编程ROM）和闪存（flash memory）也是非易失性的，可是与ROM相反，他们能够擦除和重写。不太重写时花费的时间比写入RAM要多。在便携式电子设备中中，闪存一般做为存储媒介。闪存是数码相机中的胶卷，是便携式音译播放器的磁盘，还应用于固态硬盘。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。
还有一类存储器就是CMOS，它是易失性的，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
4.3 磁盘
磁盘低速的缘由是由于它一种机械装置，在磁盘中有一个或多个金属盘片，它们以5400，7200或10800rpm（RPM =revolutions per minute 每分钟多少转 ）的速度旋转。从边缘开始有一个机械臂悬在盘面上，这相似于老式黑胶唱片机上的拾音臂。信息卸载磁盘上的一些列的同心圆上，是一连串的2进制位（称为bit位），为了统计方法，8个bit称为一个字节bytes，1024bytes=1k，1024k=1M，1024M=1G,因此咱们平时所说的磁盘容量最终指的就是磁盘能写多少个2进制位。
每一个磁头能够读取一段换新区域，称为磁道
把一个戈丁手臂位置上因此的磁道合起来，组成一个柱面
每一个磁道划成若干扇区，扇区典型的值是512字节
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成为寻到时间，找到了磁道就觉得着招到了数据所在的那个圈圈，可是还不知道数据具体这个圆圈的具体位置
4.4 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）
4.5 I/O设备
cpu和存储器并非操做系统惟一须要管理的资源，I/O设备也是很是重要的一环。
见四中的图，I/O设备通常包括两个部分：设备控制器和设备自己。
控制器：是查找主板上的一块芯片或一组芯片（硬盘，网卡，声卡等都须要插到一个口上，这个口连的即是控制器），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。
控制器的功能：一般状况下对设备的控制是很是复杂和具体的，控制器的任务就是为操做系统屏蔽这些复杂而具体的工做，提供给操做系统一个简单而清晰的接口
设备自己：有相对简单的接口且标准的，这样你们均可觉得其编写驱动程序了。要想调用设备，必须根据该接口编写复杂而具体的程序，因而有了控制器提供设备驱动接口给操做系统。必须把设备驱动程序安装到操做系统中。
4.5 总线
四小节中的结构在小型计算机中沿用了多年，并也用在早期的IBM PC中。可是随着处理器和存储器速度愈来愈快，单总线很难处理总线的交通流量了，因而出现了下图的多总线模式，他们处理I/O设备及cpu到存储器的速度都更快。
北桥即PCI桥：链接高速设备
南桥即ISA桥：链接慢速设备
4.6 启动计算机
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，启动操做系统
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
编程语言的做用及与操做系统和硬件的关系： 编程语言是能够和计算机沟通交流的一门语言，相似于中文，英语，日语等等。 不一样的是编程语言能够给予计算机命令并使计算机执行相应的操做。 操做系统是计算机程序的一种，用于计算机“裸机”最基本的系统程序。 硬件由运算器、控制器、输入设备、输出设备及存储器组成。 编程语言生成的软件需在操做系统的基础上运行，操做系统运行又离不开硬件，想要正常运行计算机并执行命令三者不可或缺。 应用程序-》操做系统-》硬件： 编程语言给予计算机命令并使计算机执行相应的操做。而操做系统就是上述过程当中执行的媒介。 编程语言编写程序开发出软件，因软件需在操做系统的基础上执行，故需将命令传递给操做系统。 操做系统需在硬件上进行工做，操做系统将命令传递给硬件，以此来完成一次完整行为。 cpu-》内存-》磁盘： CPU由运算器和控制器组成，至关于大脑，用于分析运算。 内存存储器是用来保存将要处理，正在处理以及刚刚处理完的信息的临时保存。 磁盘用于永久保存信息和资源的工具。 CPU接收外部信息并从内存中调用并进行分析运算，内存将正在进行，等待处理，刚刚处理完的的信息临时保存，以提升运算效率。 然后磁盘将须要永久保存的信息及内容保存到磁盘中。 cpu与寄存器，内核态与用户态及如何切换： CPU从内存中调用的数据所花的时间比CPU处理运算数据要常长。故CPU都有寄存器放置关键数据和参数，以及刚刚处理过的数据。 寄存器下面四种： 1.通用寄存器：保存关键参数和临时结果。 2.程序计数寄存器：保存从内存中将要取出的下一条指令的内存地址，每取出一份指令计数加一。 3.堆栈指针寄存器：指向内存中存有数据指令当前栈的顶端一个。其指向当前栈的已经进入但没有退出每一个过程当中的一个框架。其框架保存了已经输入的变量及参数，以及未保存到寄存器中的临时变量。 4.程序状态字寄存器：包括条码位（比较指令设置），内核态和用户态二种模式，CPU优先级以及各类控制位。一般被读入整个PSW，但仅对少许数据写入。 内核态：CPU内核态运行时，CPU能够执行指令集中的全部指令，内核态能访问整个硬件数据及指令，包含了硬件的全部功能。 用户态：CPU用户态运行时，不能访问硬件数据及指令，只能访问一个子集，不包含硬件的功能。在此状态下，将用户态设置为内核态是被禁止的。 内核态和用户态之间切换：有时候计算机需将用户态切换到内核态，使用系统调用来处理。系统调用陷入内核和操做系统，TRAP指令将用户态切换成内核态，并启用操做系统来获取服务。从而实现内核态和用户态之间的切换。 存储器系列，L1缓存，L2缓存，内存（RAM），EEPROM和闪存，CMOS与BIOS电池： 存储器系列：寄存器、高速缓存、内存、磁盘、磁带。从左向右速度愈来愈慢，容量愈来愈大，对应的价格比愈来愈低。 L1缓存：寄存器。与CPU材质相同，放置在CPU内部。故时间上无延迟。容量较低<1kB,32位计算机操做系统内存为32*32，64位计算机操做系统内存为64*64。 L2缓存：高速缓存。经过硬件控制高速缓存的存取，放在CPU内部或者离CPU较近的位置。高速缓存相比寄存器有时间上1~2ns的延迟，一般内存中保留经常使用的被使用的内容，以提升效率。 内存（RAM）：又称为随机访问存储，即主存。易失性，断电状况下就会丢失。为存储系统主力，在高速缓存找不到的文件在内存中均能被找到。 与之相应的是ROM，非易失性，断电状况下数据也不会丢失。ROM只读存储器，在工厂已被编程完成且不能修改。速度快且便宜。可用于计算机启动加载模块，另外I/O也被ROM底层设备所控制。 EEPROM和闪存：EEPROM电可擦除可编程ROM，EEPROM和闪存同样非易失性，具备可擦除和重写功能。其中闪存至关于存储媒介，如相机中的胶卷，磁盘，固态硬盘等。 闪存速度介于RAM和磁盘中，相比较磁盘而言，闪存擦除次数过多会使其磨损，致使其功能失效。 CMOS与BIOS电池：CMOS为存储器的一种，易失性。CMOS存储器和递增时间的电路由一小块电池驱动，可用于存储时间和日期，保证在断电状况下时间和日期能正常显示。也可存储配置的参数，如哪个是启动磁盘等。其中读取CMOS配置参数就是经过主板ROM上的程序BIOS。BIOS保存着计算机最基本的输入输出系统，以及计算机开机后的自检程序和系统自启动程序。 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：磁盘为一种机械设置，低速。有一个或者若干个金属盘片组成，由转轴来链接这些金属盘片。金属盘片边缘有相似于机械臂的设置，头部有磁头能够读取信息，转轴以必定速度旋转以便磁头读取金属盘片上的信息。 平均寻道时间：数据都存储在一片片扇形中，磁头读取相应的信息须要移动到其所在的扇形区域对应的轨道中，所花的时间即为寻道时间。 平均延迟时间：磁头移动到相应的轨道后，不必定刚好处于所需数据的扇形区域内，移动到所需数据的扇形区域所花的时间为延迟时间。 虚拟内存:将正在运行的程序放入内存取执行，暂时不须要执行的程序放入磁盘中，这部分磁盘称为虚拟内存，扩大了内存。 MMU：存储器管理单元。快速映射内存地址，方便程序之间的切换。MMU和缓存提高了系统的性能。 磁带： 磁带：存储器的一种。容量比较大，价格便宜，速度慢。 设备驱动与控制器： 控制器经过与设备链接，并给予设备命令使其执行命令。中间的媒介为设备驱动，设备驱动是为设备编写的程序，控制器经过设备驱动来控制设备。 总线与南桥和北桥： 总线链接CPU、内存、输入输出设备，造成计算机硬件系统，计算机各功能被实现。随着存储器和内存愈来愈快，总线也从单总线升级到多中线。 南桥与北桥一样的做用，亦被使用。南桥为ISA桥，链接慢速设备。北桥为PCI桥，链接快速设备。 操做系统的启动流程： 操做系统的启动经过BIOS系统，BIOS系统存储在ROM中一部分区域。电脑通电，BIOS系统启动，检测CPU、内存、硬盘等，读取CMOS中的配置参数，启动设备。从启动的设备中读取扇形内容启动装载模块，然后操做系统被启动。 1、计算机家代理 2、BIOS自检 3、选择启动设备 4、MBR引导 5、bootloader启动操做系统 6、内核加载获取配置信息以及驱动程序 应用程序的启动流程： 应用程序的启动在操做系统启动的前提下进行。BIOS程序从操做系统中获取配置数据。而后检测每种设备是否有设备驱动，没有的话为其设置设备驱动。全部的设备都有相对应得设备驱动后，操做系统将它们调入内核，初始有关的表格，穿件须要的进程，在每一个程序上启动终端。应用程序得以启动。 1.输入设备将指令发给控制 2.控制器经过驱动器将请求发给操做系统。 3.操做系统会去硬盘上寻找文件位置。 4.操做系统找到文件之后会往内存里读，读完之后程序启动成功