計算機基礎等等幾個問題

編程語言的作用及與操作系統和硬件的關系

編程語言就相當于一種能和計算機溝通的語言，編程語言告訴系統，我要做什么，系統就會幫我們控制硬件，完成我們想要完成的動作

應用程序 -> 操作系統 -> 硬件

應用軟件需要完成某項功能的時候，就需要告訴操作系統，系統控制硬件，完成一次動作。

CPU -> 內存 -> 磁盤

CPU它從內存中取指令->解碼->執行，然后再取指->解碼->執行下一條指令，周而復始，直至整個程序被執行完成。如果內存沒有需要的數據，則會從磁盤搜尋，然后再存儲至內存。

CPU與寄存器，內核態與用戶態及如何切換

操作系統必須知曉所有的寄存器。在時間多路復用的CPU中，操作系統會經常中止正在運行的某個程序并啟動（或再次啟動）另一個程序。每次停止一個運行著的程序時，操作系統必須保存所有的寄存器，這樣在稍后該程序被再次運行時，可以把這些寄存器重新裝入。

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，即內核態與用戶態。通常，PSW中有一個二進制位控制這兩種模式。

內核態：當CPU在內核態運行時，CPU可以執行指令集中所有的指令，很明顯，所有的指令中包含了使用硬件的所有功能，（操作系統在內核態下運行，從而可以訪問整個硬件）

用戶態：用戶程序在用戶態下運行，僅僅只能執行CPU整個指令集的一個子集，該子集中不包含操作硬件功能的部分，因此，一般情況下，在用戶態中有關I/O和內存保護（操作系統占用的內存是受保護的，不能被別的程序占用），當然，在用戶態下，將PSW中的模式設置成內核態也是禁止的。

存儲器系列，L1緩存，L2緩存，內存（RAM），EEPROM和閃存，CMOS與BIOS電池

存儲器有許多種類，按照存儲速度由高到低排名：寄存器->高速緩存->內存->固態硬盤->磁盤->磁帶。

寄存器：

即L1緩存，與CPU相同材質制造，速度一樣快，因而CPU訪問它無時延。

高速緩存：

即L2、L3緩存，二級緩存是CPU性能表現的關鍵之一，在CPU核心不變化的情況下，增加二級緩存容量能使性能大幅度提高。而同一核心的CPU高低端之分往往也是在二級緩存上有差異，由此可見二級緩存對于CPU的重要性。

CPU在緩存中找到有用的數據被稱為命中，當緩存中沒有CPU所需的數據時（這時稱為未命中），CPU才訪問內存。從理論上講，在一顆擁有二級緩存的CPU中，讀取一級緩存的命中率為80%。也就是說CPU一級緩存中找到的有用數據占數據總量的80%，剩下的20%從二級緩存中讀取。由于不能準確預測將要執行的數據，讀取二級緩存的命中率也在80%左右（從二級緩存讀到有用的數據占總數據的16%）。那么還有的數據就不得不從內存調用，但這已經是一個相當小的比例了。目前的較高端的CPU中，還會帶有三級緩存，它是為讀取二級緩存后未命中的數據設計的—種緩存，在擁有三級緩存的CPU中，只有約5%的數據需要從內存中調用，這進一步提高了CPU的效率。

主存：

再往下一層是主存，此乃存儲器系統的主力，主存通常稱為隨機訪問存儲RAM，就是我們通常所說的內存，容量一直在不斷攀升，所有不能在高速緩存中找到的，都會到主存中找，主存是易失性存儲，斷電后數據全部消失。

非易失性隨機訪問存儲：

除了主存RAM之外，許多計算機已經在使用少量的非易失性隨機訪問存儲如ROM（Read Only Memory，ROM），在電源切斷之后，非易失性存儲的內容并不會丟失，ROM只讀存儲器在工廠中就被編程完畢，然后再也不能修改。ROM速度快且便宜，在有些計算機中，用于啟動計算機的引導加載模塊就存放在ROM中，另外一些I/O卡也采用ROM處理底層設備的控制。

EEPROM（Electrically Erasable PROM，電可擦除可編程ROM）和閃存（flash memory）也是非易失性的，但是與ROM相反，他們可以擦除和重寫。不過重寫時花費的時間比寫入RAM要多。在便攜式電子設備中中，閃存通常作為存儲媒介。閃存是數碼相機中的膠卷，是便攜式音譯播放器的磁盤，還應用于固態硬盤。閃存在速度上介于RAM和磁盤之間，但與磁盤不同的是，閃存擦除的次數過多，就被磨損了。

CMOS：

還有一類存儲器就是CMOS，它是易失性的，許多計算機利用CMOS存儲器來保持當前時間和日期。CMOS存儲器和遞增時間的電路由一小塊電池驅動，所以，即使計算機沒有加電，時間也仍然可以正確地更新，除此之外CMOS還可以保存配置的參數，比如，哪一個是啟動磁盤等，之所以采用CMOS是因為它耗電非常少，一塊工廠原裝電池往往能使用若干年，但是當電池失效時，相關的配置和時間等都將丟失。

CMOS電池

主板上的CMOS存儲器和電池

磁盤：

磁盤低速的原因是因為它一種機械裝置，在磁盤中有一個或多個金屬盤片，它們以5400，7200或10800rpm（RPM =revolutions per minute 每分鐘多少轉 ）的速度旋轉。從邊緣開始有一個機械臂懸在盤面上，這類似于老式黑膠唱片機上的拾音臂。信息寫在磁盤上的一些列的同心圓上，是一連串的2進制位（稱為bit位），為了統計方法，8個bit稱為一個字節bytes，1024bytes=1k，1024k=1M，1024M=1G,所以我們平時所說的磁盤容量最終指的就是磁盤能寫多少個2進制位。

每個磁頭可以讀取一段換新區域，稱為磁道， 把一個戈丁手臂位置上所以的磁道合起來，組成一個柱面，每個磁道劃成若干扇區，扇區典型的值是512字節。數據都存放于一段一段的扇區，即磁道這個圓圈的一小段圓圈，從磁盤讀取一段數據需要經歷尋道時間和延遲時間。

虛擬內存：

許多計算機支持虛擬內存機制，該機制使計算機可以運行大于物理內存的程序，方法是將正在使用的程序放入內存取執行，而暫時不需要執行的程序放到磁盤的某塊地方，這塊地方成為虛擬內存，在linux中成為swap，這種機制的核心在于快速地映射內存地址，由CPU中的一個部件負責，成為存儲器管理單元(Memory Management Unit MMU)

磁帶：

價錢相同的情況下比硬盤擁有更高的存儲容量，雖然速度低于磁盤，但是因其大容量，在地震水災火災時可移動性強等特性，常被用來做備份。（常見于大型數據庫系統中）

設備驅動與控制器

控制器：是查找主板上的一塊芯片或一組芯片（硬盤，網卡，聲卡等都需要插到一個口上，這個口連的便是控制器），控制器負責控制連接的設備，它從操作系統接收命令，比如讀硬盤數據，然后就對硬盤設備發起讀請求來讀出內容。

控制器的功能：通常情況下對設備的控制是非常復雜和具體的，控制器的任務就是為操作系統屏蔽這些復雜而具體的工作，提供給操作系統一個簡單而清晰的接口

設備本身：有相對簡單的接口且標準的，這樣大家都可以為其編寫驅動程序了。要想調用設備，必須根據該接口編寫復雜而具體的程序，于是有了控制器提供設備驅動接口給操作系統。必須把設備驅動程序安裝到操作系統中。

總線與南橋和北橋

北橋，南橋是主板上芯片組中最重要的兩塊了。相對的來講，北橋要比南橋更加重要。北橋連接系統總線，擔負著 CPU訪問內存的重任。同時連接這AGP插口，控制PCI總線，割斷了系統總線和局部總線，在這一段上速度是最快的。南橋不和CPU連接通常用來作I/O 和IDE設備的控制。所以速度比較慢，一般情況下,南橋和北橋中間是PCI總線。

操作系統的啟動流程

在計算機的主板上有一個基本的輸入輸出程序（Basic  Input Output system)

BIOS就相當于一個小的操作系統，它有底層的I/O軟件，包括讀鍵盤，寫屏幕，進行磁盤I/O,該程序存放于一非易失性閃存RAM中，如CMOS。

應用程序的啟動流程

1.計算機加電

2.BIOS開始運行，檢測硬件：cpu、內存、硬盤等

3.BIOS讀取CMOS存儲器中的參數，選擇啟動設備

4.從啟動設備上讀取第一個扇區的內容（MBR主引導記錄512字節，前446為引導信息，后64為分區信息，最后兩個為標志位）

5.根據分區信息讀入bootloader啟動裝載模塊，啟動操作系統

6.然后操作系統詢問BIOS，以獲得配置信息。對于每種設備，系統會檢查其設備驅動程序是否存在，如果沒有，系統則會要求用戶按照設備驅動程序。一旦有了全部的設備驅動程序，操作系統就將它們調入內核。然后初始有關的表格（如進程表），穿件需要的進程，并在每個終端上啟動登錄程序或GUI