01、计算机重要的基础知识

一、语言与编程语言

1.1、 什么是语言？什么是编程语言？为何需要编程语言？

    语言是人与人之间沟通的介质，如汉语、英语、法语。

    同样，编程语言（programming language）也起到这样的作用，作为人与计算机之间沟通的工具被使用，可以同时被计算机和人同时理解。

    那么，为什么需要有编程语言呢？是人为了让计算机按照人的要求、思维逻辑，去达到某种目的，从而解放、提高人的生产力。

二、计算机基础知识

2.1、什么是计算机？

    计算机就是俗称的“电脑”，人类期望将来有一天，计算机可以真的像人脑一样工作。

2.2、为什么要有计算机？

    计算机是人类科技进步的产物，是为了提高人类的工作效率，创造更高的价值。

2.3、计算机的五大组成部分

     2.3.1 控制器：

    控制器是计算机的指挥系统，负责控制计算机各个组件的运行，进行各项工作，相当于人的大脑。

    2.3.2 运算器：

    顾名思义，是计算机进行数学运算以及逻辑运算的部分，也相当于人的大脑。

    PS：控制器+运算器一起组成了CPU，CPU相当于人的大脑。

    2.3.3 存储器（IO设备）：

    存储器是计算机实现记忆功能的部件，用于存取数据。存储器主要分为内存与外存。

    内存：基于电工作，存取数据都快，但是断电数据会丢失，用于临时存取数据。相当于人类大脑的记忆功能，会遗忘。内存也称之为主存储器，因为所有的数据读写以及指令，都需要经过内存传输给CPU，而CPU处        理完的数据也必须先写回主存储器，再传输到输出单元。

    外存：硬盘，通常是机械硬盘，基于磁工作，存取速度都慢，断电数据不会丢失，可以永久保存数据。相当于人类笔记本的功能，可永久保存。

    2.3.4 输入设备（Input Device ）：

    向计算机输入数据和信息的设备，如：鼠标、键盘、麦克风。

    2.3.5 输出设备（Output Device）：

    是计算机数据的输出设备，将信息传递到外界，如：显示器、打印机、音响等。

2.4、一个程序的运行与三大核心硬件（CPU、内存、硬盘）的关系

    组成计算机的五大单元可以合并成三大核心组件：CPU、IO设备、主存储器。控制单元＋算数逻辑单元＝》CPU。主存储器，即主记忆体。输入单元Input＋输出单元Output＝》IO设备。

    程序最先存放于硬盘中，程序运行时一定是先将程序代码从硬盘加载到内存中，在内存中加载好的代码被CPU提取去运行。

三、操作系统

3.1、操作系统的由来

    计算机在最开始的时候，是没有操作系统的，由人类使用各种按钮，实现控制功能，随着计算机硬件的发展，简单的控制已经无法协调日益复杂的硬件设备，为了更好的控制计算机硬件，以及更好的协同作业，避免重复劳动，于是操作系统应运而生。如：Windows、Linux、Ubuntu等。

3.2、操作系统的概念

    操作系统是管理计算机硬件与软件资源的程序，同时也是计算机的内核与基石。它能控制计算机的基本运行，也能协助上层应用软件使用计算机的相关硬件，把复杂的操作封装成简单的功能。例如：文件，就是操作系统提供给应用程序/用户操作硬盘的一种功能。

3.3、程序的区分，系统软件与应用软件

    硬件上运行的程序都是软件，有了软件的计算机才算是具有了灵魂，而软件又分为两种：

    应用软件：实现某个具体功能的软件，如：QQ、Wechat、千千静听以及IE浏览器等操作系统某些自带的软件。

    系统软件：为了实现计算机控制底层硬件而开发的软件，是应用软件与硬件之间的桥梁，能够协调、管理、控制计算机硬件与应用软件资源的控制程序。

3.4、计算机系统的三层结构

    简单来说，计算机系统由软件和硬件两部分组成，但是软件部分又可以划分为应用软件与操作系统，即：应用软件通过操作系统来控制计算机硬件，计算机硬件把功能通过操作系统提供给应用程序。

3.5、平台与跨平台的概念 

    应用程序都是运行于操作系统之上，而操作系统则是运行于硬件之上，故应用程序运行于硬件+操作系统的这样一个环境中，我们称之为应用程序的运行平台，即：操作系统+计算机硬件=平台。

    常见的平台有：Windows+某款硬件，Linux+某款硬件，Unix+某款硬件

    跨平台：跨平台是软件开发中一个重要的概念，即既不依赖操作系统，也不依赖硬件环境。一个操作系统下开发的应用程序，放到另一个操作系统下依然可以运行。广义而言，一般的计算机语言都可以做到跨平台。严格意义上讲，指某种计算机语言编制的程序只需要做少量的修改，编译之后即可在另一种平台上运行，并不需要借助其他的runtime/中间件环境。跨平台是衡量一款软件优秀与否的重要指标。

四、CPU详解

4.1、CPU的分类与指令集

    4.1.1 CPU指令集

    CPU是计算机的大脑，大脑里集成了一系列具体控制身体其他器官做事的指令集，所以从纯硬件角度看，计算机所有其他组件都由CPU发出指令控制。程序员所写的程序，是为了控制计算机硬件工作的，所有代码都会转换成CPU的指令集才能控制其他硬件，所以程序员是通过控制CPU达到控制其他硬件的目的。

    内存中存放的是程序员的代码/指令，CPU从内存中读取这些指令后需要翻译成自己的指令去执行，即CPU在出场时就集成了一系列的指令集（指令集是CPU的灵魂）。

    CPU内部是集成微指令集的，根据不同的指令集设计理念，具体可分为：精简指令集CPU、复杂指令集CPU。

    精简指令集（Reduced Instruction Set Computing，RISC）：这种CPU设计中，微指令集较为精简，每个指令的运行时间短，完成动作单纯，指令效果佳，但是若完成复杂的事情，就需要用多个指令完成。常见的RISC微指令集CPU有ARM系列CPU。

    复杂指令集（Complex Instruction Set Computer，CISC）：与RISC不同，在CISC的微指令集中，每个小指令可以执行一些较低阶的硬件操作，指令数目多而且复杂，每条指令的长度各不相同。因此执行每条指令花费的时间较长，但每条指令可以处理的工作较为丰富。常见的CISC微指令集CPU有AMD、Intel等x86架构的CPU。

4.2、x86-64

    4.2.1 x86架构

    x86架构是针对cpu的型号或者说架构的一种统称，详细的说，就是Intel发明的CPU代号称为8086，后来又在此基础上进行了开发，因此这种架构的CPU统称为x86架构了。又由于此种架构的CPU大量用于个人计算机上，因此，个人计算机通常被称为x86架构的计算机！

    4.2.2 64位

    CPU的位数指的是CPU一次能从内存中取出多少位二进制指令，64bit指的是一次性能从从内存中取出64位二进制指令。

    CPU具有向下兼容性，64位的CPU上可以运行32位的软件，反之，则不行。

4.3、内核态与用户态

    除了在嵌入式系统中的非常简洁的CPU之外，多数CPU都有两种模式，即内核态与用户态。通常，PSW（Program Status Word）中有一个二进制位控制这两种模式。

    内核态：当CPU处于内核态的运行时，CPU可以执行指令集中的所有指令，即操作系统在内核态下运行，从而可以访问整个硬件。

    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，该子集中不包含操作硬件功能部分。

    内核态与用户态的切换：应用程序不能直接操作硬件，却必然要用到硬件，因此必须频繁通过用户态切换到内核态这么一个过程，去实现对计算机硬件的操作。

4.4、多线程与多核芯片

    多核芯片指的是一个CPU中有多个完整的处理器，多线程指的是一个处理器有多个线程，可以相当于两个处理器却又弱于两个真正的处理器。

    4核8线程：4核代表四个CPU，8线程指的是每个CPU都有两个线程，即假8核。

五、主存储器

5.1、RAM（Random Access Memory）：

    随机存取存储器，也叫主存，为存储系统的主力，主存是易失性存储，断电数据会消失。

5.2、ROM（Read Only Memory，ROM）：

    只读内存，电源切断后，非易失性存储的内容不会丢失，出厂就写入程序，不能被修改，通常用于存储启动计算机的引导加载模块，即BIOS。

5.3、CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor互补金属氧化物半导体）：

    是计算机主板上的一块可读写RAM芯片，存取速度慢，断电数据丢失，耗电量极低，因此一般用于保存计算机的当前时间和日期，除此之外，还用于保存BIOS配置的参数，比如从那个磁盘启动操作系统等。

5.4、硬盘：
    5.4.1 机械硬盘：磁盘

    一般我们使用的硬盘是磁盘，它是一种机械装置，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。边缘有个机械臂悬在盘面上，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）。

磁道：一圈数据，对应着一串二进制（1bit代表一个二进制位）8个bit称为一个字节Bytes，1024Bytes=1KBytes，1024K=1MBytes，1024MBytes=1GBytes，所以我们平时说的磁盘容量最终指的就是磁盘能写多少个二进制位。

    扇区：每个磁道划分为若干个扇区，一个扇区的典型值为512字节。站在硬盘的角度看，一次读写数据的最小单元为扇区。为了提高操作系统的运行效率，操作系统一次读写操作的单位是一个block块，即8个扇区的大小=4096Bytes。

    柱面：把一个机械手臂位置上所有的磁道合起来，组成一个柱面。

    5.4.2 固态驱动器（Solid State Disk或Solid State Drive，简称SSD），俗称固态硬盘：

    固态硬盘是用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘，因为台湾英语里把固体电容称之为Solid而得名。

    5.4.3 IO延迟：

    数据都存放于一段一段的扇区，即磁道这个圈圈的一小段圆圈，从磁盘读取一段数据需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即移动到相邻的柱面的时间称为寻道时间，受限于当今的物理工艺水平，一般时间为5ms。

    平均延迟时间：机械臂到达正确的磁道后还必须等待旋转到数据所在的扇区下。

    IO延迟：平均寻道时间+平均延迟时间=IO延迟

    优化程序运行效率的核心法则：能从内存取数据，就不从硬盘取。

    5.4.4 虚拟内存：

    许多计算机支持虚拟内存机制，该机制使计算机实际可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去执行，而暂时不需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。

    5.4.5 IO设备：

    即输入输出设备，设备的控制+设备本身。

六、总线

6.1、北桥即PCI桥：连接高速设备

6.2、南桥即ISA桥：连接慢速设备

6.3、多总线模式结构图

七、操作系统的启动流程

7.1、BIOS介绍：

    BIOS（Basic  Input Output system)：计算机主板上存在的一个基本的输入、输出系统，相当于一个小的操作系统，它有底层的I/O软件，存放于一个非易失性闪存RAM中，即写在ROM中。

7.2、裸机：

    CPU：ROM：CMOS：组成启动计算机的基本操作党员

7.3、操作系统启动流程：

    7.3.1、计算机加电

    7.3.2、BIOS开始运行，检测硬件：CPU、内存、硬盘等

    7.3.3、BIOS读取CMOS存储器中的参数，选择启动设备

    7.3.4、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为为分区信息，最后两个为标志位）

    7.3.5、根据分区信息读入bootloader启动装载模块，启动操作系统

    7.3.6、然后操作系统询问BIOS，以活得配置信息。对于每种设备，系统会检查其设备驱动程序是否存在，如果没有，系统则会要求用户安装驱动程序。一旦有了全部的设备驱动程序，操作系统就会将它们调入内核。（驱动程序安装后集成到操作系统中）

7.4、应用程序启动流程：

    7.4.1、双击exe程序快捷方式/exe程序本身，找到exe程序的校对路径，即告知操作系统，有一个程序要执行，应用程序的绝对路径是XXXX

    7.4.2、操作系统根据文件绝对路径找到exe程序在硬盘的位置，控制代码从硬盘加载到内存

    7.4.3、然后控制CPU从内存中读取刚刚读入内存的应用程序代码执行，应用程序完成启动