计算机基础知识加油包

写在前面：豆豆和花花周末短聚，去看了电影–西虹市首富。作为开心麻花粉，真心佩服这个神一样的搞笑天团。沈腾好像胖啦，但是并不影响他卖萌耍贱追女神。搞笑之余，讽刺了一些社会现象比如碰瓷党，是非不分的路人甲，道貌岸然的伪君子直男癌，股票跟风啊，见钱眼开啊之类的。最后在撒糖之余还吐槽了一下社会现象，感叹生娃养娃买房压力大到账单列不完啊……感觉今年的电视剧和电影似乎都开窍了，傻白甜女主不见了，尬演没了，反派不雷人改为卖萌，连放弃金钱拯救真爱都演的很真实，痛哭流涕的小人物，远比毫不犹豫的正人君子要真实。
不管是扶摇,延禧攻略还是西虹市首富，都有自己的创新也有了深度，今年真的是大饱眼福啊！
现在开始正题，深入学习Linux，加油补充一下计算机基础还是有好处的。

. 计算机体系结构

• 相信你对计算机的大体构造有所了解了，电路板、电线还有一些硬件，这是必需品

• 数据格式二进制 ：
  计算机是个电子设备，它的数字来源在于控制线路通电与否；
  采用二进制相对于十进制更精确，能够方便控制电路板上的电流，有电代表数字1，无电代表数字0；
  想想，如果采用十进制，怎样精确控制电流的强弱来表示0-9呢？那会很麻烦！

. CPU包括运算器和控制器 【相当于工厂的工人和总监】

1. 运算器– 工人（装货）：通常是加法器、逻辑运算器

   加法器：加减乘除运算都使用加法器完成；
           加法器使用加数与被加数（这些数据都在存储器中获取）；
   【一般来讲，每个加法器只能进行一位加法运算，例如3位数的加法至少有3个加法器。 那么如果要计算32位的加法，就会有32个加数和32个被加数； 他们各需要32根线来进行运算，这势必很臃肿！那么如何解决？】

   ～ 这里引入了线路复用 ，可以同时传输指令、加数、被加数，很高效。但有两个问题：

   Q1. 如何识别指令和数据呢？
   A1. 靠的就是CPU上的控制位，数值1为指令，0为数据。

   Q2. 如果刚传进来加数，想再传被加数，那么电路板上的电压就会调整为被加数的，之前的加数如果不存放起来，就消失了，怎么办？
   A2. 只需将前一个数据存放在寄存器

2. 控制器– 总监（调配）：协调运算器到存储器哪个存储单元读取数据，另外运算完还要靠它去找存储器中还有什么空闲位置存放数据

. 存储器RAM：【相当于工厂的仓库，有进有出】

就是内存，每一个存储单元在全局上有唯一的地址；

程序是由指定+数据构成的，而指令和数据都存储在存储器中，控制器要在存储器中获取控制指令，靠一根电线：指令/控制总线；
 【出厂的时候内存条中什么也没有，那么我们需要将执行的程序放到存储器中去，需要一个外围设备，辅助用户先存储一些指令和数据】

缺点：断电丢失数据。所以需要一个外置设备保存数据或者用显示器显示出来

. I/O设备

外围/辅助设备（键盘、鼠标、硬盘、显示器、网卡）
 中断interrupt：硬件通知机制。比如敲一下键盘，电信号会传输到CPU，告诉CPU停下手头的工作，过来看看发生了什么。所以任何的硬件发生了改动，哪怕很小就像敲一下键盘，都会产生一次interrupt。因此，中断越多，CPU的效率越低～
 【但是，当一次中断发生时，CPU怎么知道是键盘还是鼠标发生的改变呢？】
 【CPU的针脚和中断控制器相连～控制器上有多根线，每根线表示一个设备。
 但是如果外部设备非常多时怎么办？比如一个服务器连了500块硬盘，那么是不是需要500根线呢？
 并不科学！控制器的一根线上可以同时标示多个不同设备，也有点线路复用的意思】

. 其他一些概念：

北桥：
 直接连CPU，高速总线控制器，快速实现数据交换。

南桥：
 离CPU远，低速，连接外围设备。所有外围设备通过南桥汇总后，由同一根线连接到北桥，由北桥再转给CPU
 【我们现在打开的网页都是存储在web服务器上的文件，相信你一定遇到过打开网页很卡，长时间加载不出来的情况～有没有想过是为什么？】
 【原因不难理解：我们日常上网的流程就是：网页文件内容存储在web服务器硬盘，访问时需要先通过南桥再汇总到北桥，再交由CPU处理给网卡，发给各个用户。假如一个界面有2M，同时100万人访问，南桥连接的硬盘是支撑不了的，就会卡顿，严重会报废；那么你可能会想：为什么刷淘宝这么流畅？
 一个原因可能是，你的手机争抢网速比较给力，把阿里web服务器分配的有限的名额抢到手就能访问；
 另一个原因就是：为了避免高峰时段用户访问过多，南桥效率低下的问题，服务商会使用固态硬盘和北桥直接连接。当然，如果使用的是机械硬盘，南桥北桥差别不大，因为都很慢！】

主频：
 前面说到，数据的输入是利用电信号的识别，也就是扳开关。有电为1，没电为0。扳一次开关为1Hz，那么我们平时所说的CPU主频2.9GHz，意思就是一秒能扳2.9 x 10^9^ 次，也就能有这么多次的数据变换

CPU与内存主频关系：

CPU主频(以GHz为单位)要高于内存(以MHz为单位)，也就是说，比如CPU一次可以处理十个数据，但内存一次就能提供一个数据。那么CPU的强大会因为内存被拖慢。但是呢，目前升级CPU容易，升级内存主频成本会相当高。

其实人生就是在不断的妥协、权衡和放弃当中，来追求最大化的幸福，计算机亦如此

利用 缓存 解决这个问题，它就是一个折中。你可能听过一级、二级、三级缓存；级别越小，距离CPU距离越近，速度就越快。
 缓存原则–> 程序局部性原理：
 时间局部性：刚访问过的再次访问会快
 空间局部性：距离访问过的数据存储位置近的访问快

低级 vs 高级语言：
 低级语言：微码（汇编语言，人能识别但机器不能，因为很低层所以难学）–>编译器（机器能理解，转换为机器语言）–> 机器语言（0，1代码；二进制）

高级语言（汇编语言的上一级；兼具人类思考习惯和机器识别特性）：
 要先转换为汇编再转换为对应芯片上的机器语言，需要额外机制（API – application program interface。不同CPU用汇编语言写的有相同功能的程序，使用API虚拟相同的执行环境）来满足不同机器上运行同一个程序。

. 多任务处理：

1. 交叉进行；

2. 切分CPU与内存

   CPU：按照时间顺序划分为多个time slice( 比如两个任务，第一个5ms第二个5ms，然后反复交替)
   内存：按照任务数分段机制（第一段和第二段，有着相对的地址); 对于32位系统，最多使用2^32^ = 4G物理内存；64位系统，2^64^ 基本无上限

3. 如何指定哪个任务该做什么呢？指挥官就是——操作系统。负责一个程序的启动、终止和回收，程序的切换等工作。【运行的程序称为“进程”】

内核: Kernel

1. 通过 System call 系统调用来实现统一接口。操作系统（Windows， Mac， Linux）就是种内核。
   【系统调用处于底层，相当于买馒头给了你一袋子小麦，利用起来比较麻烦，需要磨面、发面等，但是能做的事情很多，不止能做馒头，还能做包子面条】
   功能：

2. 进程管理

3. 内存管理

4. 提供文件系统

5. 提供网络功能

6. 提供硬件驱动

7. 提供安全机制

. 库: API

任何程序执行都需要一个执行入口。库也是一堆程序集合，他是可执行程序，但是它没有执行入口，因此不能直接执行，只能等其他程序调用时才执行，执行的时候又可以提供一个统一的调用机制（call）。
 有了操作系统（内核）以后任何程序都不能直接和硬件打交道，必须要通过操作系统（内核）来进行协调。但由于系统调用过于底层，就将其再次封装起来，使其功能更加强大（直接给你馒头，不需要自己将小麦加工成面粉），这种更高级的接口就是库（API，application program interface）。
 所以程序员写程序直接通过库来写就行，调用其功能来开发程序（没必要“造轮子”）。利用不同内核的库编的程序，由于库的内部细节不同，一般不能跨平台运行，但如果调用接口相同，就能运行。

• windows下dll(Dynamic Link Library)动态链接库

• linux下.so(Shared Object)共享对象

要跑起来一个程序，只需要提供三个东西：内核、程序依赖的库、shell
所以说，操作系统并不复杂，这三样最简单的只需要2M或3M空间就够了
【补充一下：应用程序放在硬盘上叫程序，但启动起来叫进程process】
要做一个web服务器，你只需要提供程序和它依赖的库就能行
那么你会想，为什么日常装的操作系统这么大，十几个G？
有各种文件，作为对这个主线的补充；为了提供图形界面，会装很多图片

. 开机启动的模式：

. 启动程序的方式：

1. 随开机一起启动，称为“后台服务”

2. 按需求启动，手动启动，称为“交互式程序”

   shell：人机交互接口【下面会有更详细介绍】
   用户与系统（内核）进行交互
   分为：

3. GUI( graphic user interface) 可视化
   Gnome: C 开发； KDE: C++； XFace：嵌入式轻量系统

4. CLI( command line interface) 命令行：效率更高！
   sh，bash（最广泛，开源），csh，zsh，ksh，tcsh等

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