python之路 ---计算机硬件基础

　　计算机（computer）俗称电脑，是现代一种用于高速计算的电子计算机器，能够进行数值计算，又能够进行逻辑计算，还具备存储记忆功能。是可以按照程序运行，自动、高速处理海量数据的现代化智能电子设备。一个完整的计算机由硬件和操做系统组成。若是没有操做系统的计算机，能够称之为裸机。

2.计算机的组成：

　　硬件部分：计算机硬件主要由cpu，输入设备，输出设备，存储器和系统总线组成。cpu就像人类的大脑同样，负责计算，处理事件，系统总线则是人的血管和神经同样，控制的输入，输出和存储设备（控制总线），将养分物质传输到身体各处（数据传输总线）。输入，输出设备则负责计算机与外界作交互，进行数据的输入和输出，图形的显示等做用。而存储设备则负责存储内容。

　　软件部分:计算机的软件部分主要分为操做系统和应用软件。操做系统的出现，将计算机复杂的硬件结构进行了包装，给人们提供了一个简单，方便，优美的操做感觉和视图界面。而应用软件的出现则是为了知足人们各类特定的需求，如暴风影音，游戏等。

3.硬件部分

　　　1.CPU：cpu的组成以下图所示，工做过程能够分为取指---解码--执行，这三个部分，分别再指令寄存器，指令译码器和ALU这三个地方完成。由于从内存读取数据的时间比cpu执行命令的时间要慢的多，因此计算机在内部有部分寄存器（和cpu同材质），寄存器主要分为如下几种类型：

• 通用寄存器:用来保存变量和临时结果

• 　　　程序计数器:用来保存下一个要执行的指令的内存地址。

　　　程序状态字寄存器（PSW）:用来标记区分访问状态（用户态，内核态），cpu优先级等内容。

• 　　　堆栈指针寄存器：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。堆栈的特色是先进后出。

　　　　

　　

 补充说明:

　　内核态：为了保护硬件系统底层的安全和稳定性，只容许内核态进行操做硬件。通常操做系统处于内核态，而应用软件处于用户态

　　用户态：只能操做cpu指令集的一个子集，没法操做底层硬件内容，若是须要操做底层硬件，须要将用户态转换为内核态。

　　多线程:线程是cpu执行的基本单位，线程之间内存的共享的。多线程cpu能够保持两个不一样状态的线程（休眠状态和运行状态），cpu来回切换这些线程，速度十分快，以至于让人们认为是并发处理的。cpu同一个时间只能处理一个线程。

　　进程：进程是最小的资源单位，进程间内存是不共享的。一个进程最少要有一个线程。

　　多核：增长了数个完整的cpu，这样就能够同时处理多个线程。每一个cpu有个跟cpu材质同样的缓存区，称为一级缓存（L1），有个二级缓存（L2）连接着这几个cpu（inter架构）。

　　

　　2.存储器

　　     以下图，缓存的级别由上到下一次递增，寄存器为一级缓存，高速缓存为二级缓存，以此类推，缓存速度越快，容量就越小，造价就越昂贵。若是运行一个程序，所须要的内容已经在高速缓存中，即称为高速缓存命中，若是高速缓存未命中，则须要去内存读取数据，速度会慢不少。

• 　内存RAM为易失性存储，断电后数据所有消失。

• 　rom（Read Only Memory）为非易失性存储。

• 　flash(闪存)：非易失性存储，固态硬盘，u盘都是有闪存进行存储。

• 　cmos:易失性存储，保存当前时间和日志，还有系统的一些参数。

 　　

•  磁盘：磁盘由多个碟片，磁柱，磁头组成。每一个磁盘又以扇区为单位进行划分。一个扇区为512B。最小的块单元由8个扇区组成，即4KB。

  　　磁盘读取数据会有必定延时，主要非为:

  　　1.平均寻道延时：即找到所需数据所在的扇扇道

  　　2.平均延时时间：在扇道上找到正确的扇区所须要的时间

  　　因此一块磁盘转速约快，他的延时时间就越短，读取速度就越快。

  　　咱们还会划分一小部分磁盘做为内存来使用，防止运行软件过多，所需内存超过实际内存大小，而形成内存溢出，服务崩溃。虚拟内存虽然运行速度较慢，可是能够防止内存溢出的状况发生，保证服务的稳定。

• 磁带：读取速度最慢，可是容易打，移动性高，虽然都用来作备份。

 　　　　

 　　I/O设备（input/output）

　　　　I/O 通常分为设备控制器（须要安装驱动软件）和设备自己。

　　　　设备控制器的做用是提供一个标准的接口来接入设备，驱动软件则是提供给系统操控设备的方法。各个设备控制器由I/O总线连接着。

　　　　I/O总线分为北桥和南桥，北桥链接cpu,内存，二级缓存，南桥链接硬盘，键盘，打印机等运行速度较慢的设备。

 4.操做系统

　　

　　　操做系统的做用主要由两个：

　　1.给用户提供一个简单，明了的硬件接口（工做在用户态），程序开发人员不须要再去了解如何去控制硬件，而是调用相应的硬件接口就可使用。

　　2.让线程的进程变得有序（工做在内核态）。如打印机同时打印a，b,c，若是是无序竞争，那么打印出来的内容会是a一行，b一行，这样混乱的内容。操做系统会使用锁 这个方法让竞争变得有序，若是a文件正常使用打印机，则会将打印线程锁住，只给a只有，那么b和c只有等a打印完以后才会使用打印机。

　　操做系统与应用软件的区别：　

     1.主要区别是：应用软件开发周期短，可修改，操做系统由内核保护着，不能被修改。

    2.操做系统是一个大型（源码数量大）、复杂（提供复杂功能）、长寿（不会轻易被弃用）的软件

　　

　　多路复用（多道技术）：

　　1.时间上的复用:当一个资源在时间上复用时，不一样的程序或用户轮流使用它。例如：cpu的 上下文切换：一个内核可处理多个进程， 在只有一颗 CPU 的状况下， 内核必须调度和平衡这些进程和线程。 每一个线程在处理器上都拥有一个时间分配单元， 当一个线程超过本身的时间单元或被更高优先级的程序抢占时， 此线程及被传回队列而此时更高优先级的程序将在处理器上执行。

　　2.空间上的复用(须要硬件上的支持，将内存在硬件层面上进行分区):多个程序同时进入不一样的内存区域。且由操做系统控制，这比一个程序独占内存一个一个排队进入内存效率要高的多。 硬件层面的分割保证了安全性：应用程序不会操做到操做系统的内存区域    稳定性：释放应用程序内存时，不会同时释放掉操做系统的内存（即便是操做系统的部份内存），这样能够避免引发操做系统的崩溃。

 

参考博客连接：

　　　　https://www.cnblogs.com/linhaifeng/p/6523843.html

　　　　https://www.cnblogs.com/linhaifeng/p/6295875.html