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，可以进行数值计算，又可以进行逻辑计算，还具有存储记忆功能。是能够按照程序运行，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作系统组成。如果没有操作系统的计算机，可以称之为裸机。

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就像人类的大脑一样，负责计算，处理事件，系统总线则是人的血管和神经一样，控制的输入，输出和存储设备（控制总线），将营养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做交互，进行数据的输入和输出，图形的显示等作用。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作系统和应用软件。操作系统的出现，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，优美的操作感受和视图界面。而应用软件的出现则是为了满足人们各种特定的需求，如暴风影音，游戏等。

3.硬件部分

　　　1.CPU：cpu的组成如下图所示，工作过程可以分为取指---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。因为从内存读取数据的时间比cpu执行命令的时间要慢的多，所以计算机在内部有部分寄存器（和cpu同材质），寄存器主要分为以下几种类型：

• 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：该栈包含已经进入但是还没有退出的每个过程中的一个框架。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。堆栈的特点是先进后出。

　　　　

　　

补充说明:

　　内核态：为了保护硬件系统底层的安全和稳定性，只允许内核态进行操作硬件。一般操作系统处于内核态，而应用软件处于用户态

　　用户态：只能操作cpu指令集的一个子集，无法操作底层硬件内容，如果需要操作底层硬件，需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可以保持两个不同状态的线程（休眠状态和运行状态），cpu来回切换这些线程，速度十分快，以致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：增加了数个完整的cpu，这样就可以同时处理多个线程。每个cpu有个跟cpu材质一样的缓存区，称为一级缓存（L1），有个二级缓存（L2）链接着这几个cpu（inter架构）。

　　

　　2.存储器

　　     如下图，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。如果运行一个程序，所需要的内容已经在高速缓存中，即称为高速缓存命中，如果高速缓存未命中，则需要去内存读取数据，速度会慢很多。

• 　内存RAM为易失性存储，断电后数据全部消失。

• 　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。

  　　磁盘读取数据会有一定延时，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需要的时间

  　　所以一块磁盘转速约快，他的延时时间就越短，读取速度就越快。

  　　我们还会划分一小部分磁盘作为内存来使用，防止运行软件过多，所需内存超过实际内存大小，而造成内存溢出，服务崩溃。虚拟内存虽然运行速度较慢，但是可以防止内存溢出的情况发生，保证服务的稳定。

• 磁带：读取速度最慢，但是容易打，移动性高，虽然都用来做备份。

　　　　

　　I/O设备（input/output）

　　　　I/O 一般分为设备控制器（需要安装驱动软件）和设备本身。

　　　　设备控制器的作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总线链接着。

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

4.操作系统

　　

　　　操作系统的作用主要由两个：

　　1.给用户提供一个简单，明了的硬件接口（工作在用户态），程序开发人员不需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以使用。

　　2.让线程的进程变得有序（工作在内核态）。如打印机同时打印a，b,c，如果是无序竞争，那么打印出来的内容会是a一行，b一行，这样混乱的内容。操作系统会使用锁 这个方法让竞争变得有序，如果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打印完之后才会使用打印机。

　　操作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，操作系统由内核保护着，不能被修改。

2.操作系统是一个大型（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，不同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 的情况下， 内核必须调度和平衡这些进程和线程。 每个线程在处理器上都拥有一个时间分配单元， 当一个线程超过自己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(需要硬件上的支持，将内存在硬件层面上进行分区):多个程序同时进入不同的内存区域。且由操作系统控制，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：应用程序不会操作到操作系统的内存区域    稳定性：释放应用程序内存时，不会同时释放掉操作系统的内存（即使是操作系统的部分内存），这样可以避免引起操作系统的崩溃。

参考博客链接：

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

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