計算機基礎

一計算機基礎對於學習程式語言的重要性

python作為一門程式語言，那麼它就有語言的功能。我們通常所說的語言，比如：漢語，英語，法語等，都是用來人與人之間進行溝通的媒介。那麼python與他們

的區別就是python是人與計算機進行溝通的媒介。中國有句俗語：知彼知己，百戰不殆。我們為了更好地與計算機進行溝通，讓計算機按照我們人的邏輯思維來工作，

就要盡可能詳細的了解計算機這個機器，它的一些結構組成，功能，工作原理。所以計算機基礎對於python程式設計學習的重要性可想而知。

二乙個完整計算機系統由：硬體，應用程式，作業系統，三部分組成，也可以說由：軟體和硬體兩部分組成。

1計算機硬體

計算機硬體分為五個部分：

（1）控制器：控制器顧名思義，就是進行各種控制。  根據操作人員發出的指令對各部件進行控制，以保證各部件正常執行。

（2）運算器：進行算數運算和邏輯運算。

（3）儲存器：用來存放資料和應用程式，能夠對儲存器中德資訊進行讀取和寫入操作，對於資料的操作是通過儲存器中的位址來完成，因為每個儲存單元都有乙個位址，儲存器的容量單位bytes，kb，mb，gb，tb，pb等，同時1024b=1kb，1024kb=1mb，1024mb=1gb，1024gb=1tb。

（4） 輸入裝置：就是向計算機輸入資訊的裝置，常用的有：滑鼠，鍵盤，觸屏等。

（5）輸出裝置：顯示器，印表機等。

cpu：

cpu由控制器和運算器組成，所以它不僅能對軟/硬體進行控制，還可以進行邏輯運算和算術運算。那麼對於cpu來說當程式設計師對計算機發出一條指令時，指

令經過輸入裝置進入記憶體，這個時候cpu到記憶體中取指進行分析，分析之後執行相應的動作。cpu讀取的資料都是從記憶體中來的，那麼cpu只是做乙個分析與處理，處理

過後資料再寫入儲存器中，由儲存器再到輸出單元。cpu的種類主要是：精簡指令集與複雜指令集，精簡指令集cpu只能進行一些簡單的操作，執行時間短，效率較高。

而複雜指令集cpu指令數目多且複雜，所以每條指令執行時間會比精簡指令集長，但能進行更加複雜的工作。我們現在用的cpu很多都是x86-64，因為cpu具有向下相容

性，所以x86-64的cpu的相容性較好。

cpu的核心態與使用者態

除了在嵌入式系統中的非常簡答的cpu之外，多數cpu都有兩種模式，即核心態與使用者態。

嵌入式系統：一應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬體可裁剪，適應應用系統對功能，可靠性，成本，體積，功耗等嚴格要求的專用計算機系統。

所以說嵌入式系統一般在計算機初裝系統就具備，所以通常使用者是不可變的，就好像今天我們的手機上剛買來就會有一些軟體，而這些軟體就相當於是嵌入式系統的一部分。

核心態：當cpu在核心態執行時cpu可以執行指令集中所有的指令，包括使用硬體的功能。
使用者態：使用者程式在使用者態下執行時，只能執行cpu指令集中的乙個子集，而且不具備操作硬體的功能。
核心態與使用者態切換：在使用者態下執行沒辦法操作硬體，但是有時候我們的軟體可能會用到硬碟裡的資料，比如我們使用word開啟乙個檔案，word必須向系統呼叫，
說我需要這個硬碟的資料，這個時候乙個特殊的指令trap指令就會把使用者態切換成核心態，從而得到想要的資料。

儲存器：

儲存器在計算機硬體中是僅次於cpu的存在，人們一直在做的工作就是盡可能將儲存器變得：容量更大，速度更快，價錢更便宜。

記憶體中又有ram和rom（read only memory），她們倆的主要區別在於ram儲存量小且斷電資料消失，而rom儲存量較ram大且斷電資料仍然可以儲存。

ram在通電情況下可以隨意訪問，而rom則唯讀。

還有一類儲存器就是cmos：一般用來儲存計算機基本啟動資訊（比如：日期，時間，啟動設定等），系統斷電資訊也不回丟失。

磁碟

：其實磁碟儲存方式有點類似於我們以前我們的唱片機上的唱片。磁碟是一種機械裝置，一般有乙個或多個金屬碟片，工作時的轉速為5400，7200或

10800rpm。資訊以二進位制的形式一圈一圈的儲存在磁軌上，乙個二進位制占乙個位元位bit，那麼8bit=1bytes位元組，

1024bytes=1kb，   1024kb=1mb，   1024mb=1gb，  1024g=1tb。由下圖可以看出，對於磁碟的取值是使用磁碟臂，每個磁軌劃成若干扇區，扇區典

型的值就是512bytes，因為抓取手臂每次抓取的值也是512bytes。

平均尋道時間：機械手臂從乙個柱面隨機移動到相鄰的柱面的時間成為尋到時間，找到了磁軌就以為著招到了資料所在的那個圈圈，但是還不知道資料具體這個圓圈的具體位置。

平均延遲時間：機械臂到達正確的磁軌之後還必須等待旋轉到資料所在的扇區下，這段時間成為延遲時間。

那麼假如乙個5400rpm的磁碟

平均尋道時間是：5ms

平均延遲時間是  ： 60/10800=0.01s/2=0.005=5ms

那麼每次抓取延遲時間為10ms

如果抓取次數足夠多這個總的延遲時間會比較長，假如對乙個每分鐘500million請求次數來說：

500mips  -----〉〉500 millon instruction per  second

磁帶：

在價錢相同的情況下比硬碟擁有更高的儲存容量，雖然速度低於磁碟，但是因其大容量，在**水災火災時可移動性強等特性，常被用來做備份。（常見於大型資料庫系統中）。

輸入輸出裝置：

輸入裝置：就是把程式設計師編寫的程式送到計算機中去，通過翻譯轉換成計算機能識別的方式，輸入的資訊可以是文字，等等，輸入裝置常見有滑鼠鍵盤等。

輸出裝置：將輸入的資訊經cpu分析處理過後的結果通過一些裝置送出計算機，比如我們常見的耳機，印表機等。

計算機啟動流程：

1計算機通電。-----〉2.基本輸入輸出系統（bios）開始執行，檢測硬體記憶體，硬碟，cpu等-----〉3.當bios在cmos中找到啟動盤會讓使用者選擇哪種啟動

系統，選擇完之後-----〉〉4.從啟動盤讀取第乙個扇區的內容（mbr主引導記錄512位元組，前446為引導資訊，後64為分割槽資訊，最後兩個為標誌位）-------〉〉5.開始加

載bootloader（在嵌入式作業系統中，bootloader是在作業系統核心執行之前執行。可以初始化硬體裝置）啟動作業系統-----〉〉〉6.然後作業系統詢問bios，獲得相應

程式配置資訊。對於每種裝置，系統會檢查其裝置驅動程式是否存在，如果沒有，系統則會要求使用者按照裝置驅動程式。一旦有了全部的裝置驅動程式，作業系統就將它

們調入核心，接下來作業系統接管計算機。

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