本節(jié)重點(diǎn)：

1.編程語(yǔ)言的作用及與操作系統(tǒng)和硬件的關(guān)系：

Python是編程語(yǔ)言，簡(jiǎn)之，Python即語(yǔ)言。

語(yǔ)言有漢語(yǔ)，外語(yǔ)，是人與人之間溝通交流的介質(zhì)，編程語(yǔ)言即人與計(jì)算機(jī)之間的語(yǔ)言，目的是為了讓計(jì)算機(jī)了解程序員想要表達(dá)的內(nèi)容；

用戶程序操作最終體現(xiàn)在硬件上，但是假如每個(gè)用戶程序的基礎(chǔ)都是先寫(xiě)操作硬件的編程，然后再寫(xiě)程序功能，寫(xiě)一個(gè)，兩個(gè)可以，以后每次寫(xiě)程序都是先寫(xiě)操作硬件的代碼，然后再寫(xiě)程序的代碼豈不是一直在做重復(fù)的工作，所以這時(shí)候就需要有操作系統(tǒng)了，操作系統(tǒng)操作硬件，對(duì)硬件擁有所有權(quán)限，用戶程序再控制操作系統(tǒng)，這樣就省去了重復(fù)的工作。

2.cup-->內(nèi)存-->硬盤

cup相當(dāng)于人體的大腦，作運(yùn)算的工作；

內(nèi)存相當(dāng)于人的臨時(shí)記憶，負(fù)責(zé)臨時(shí)存儲(chǔ)的作用；

硬盤相當(dāng)于筆記本，作永久存儲(chǔ)的作用；

整個(gè)運(yùn)行的過(guò)程是，把程序從硬盤中取出，放在內(nèi)存中運(yùn)行，然后把關(guān)鍵數(shù)據(jù)輸入到cpu中運(yùn)算。

3.cpu與寄存器，內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)及如何切換

cpu:它從內(nèi)存中取指令->解碼->執(zhí)行，然后再取指->解碼->執(zhí)行下一條指令，周而復(fù)始，直至整個(gè)程序被執(zhí)行完成。

每個(gè)cpu都有一套可執(zhí)行的專門指令集，任何軟件的執(zhí)行最終都要轉(zhuǎn)化成cpu的指令去執(zhí)行。所以Pentium（英特爾第五代x86架構(gòu)的微處理器）不能執(zhí)行SPARC（另外一種處理器）的程序。這就好比不同的人腦，對(duì)于大多數(shù)人類來(lái)說(shuō)，人腦的結(jié)構(gòu)一樣，所以別人會(huì)的東西你也都可以會(huì)，但對(duì)于愛(ài)因斯坦的腦子來(lái)說(shuō)，它會(huì)的你肯定不會(huì)。

因訪問(wèn)內(nèi)存以得到指令或數(shù)據(jù)的時(shí)間比cpu執(zhí)行指令花費(fèi)的時(shí)間要長(zhǎng)得多，所以，所有CPU內(nèi)部都有一些用來(lái)保存關(guān)鍵變量和臨時(shí)數(shù)據(jù)的寄存器，這樣通常在cpu的指令集中專門提供一些指令，用來(lái)將一個(gè)字（可以理解為數(shù)據(jù)）從內(nèi)存調(diào)入寄存器，以及將一個(gè)字從寄存器存入內(nèi)存。cpu其他的指令集可以把來(lái)自寄存器、內(nèi)存的操作數(shù)據(jù)組合，或者用兩者產(chǎn)生一個(gè)結(jié)果，比如將兩個(gè)字相加并把結(jié)果存在寄存器或內(nèi)存中。

寄存器分為4種：通用寄存器，程序計(jì)數(shù)器，堆棧指針，程序狀態(tài)字寄存器(Program StatusWord,PSW)。

本節(jié)主要講解了PSW，這個(gè)寄存器包含了條碼位(由比較指令設(shè)置)、CPU優(yōu)先級(jí)、模式（用戶態(tài)或內(nèi)核態(tài)），以及各種其他控制位。用戶通常讀入整個(gè)PSW，但是只對(duì)其中少量的字段寫(xiě)入。在系統(tǒng)調(diào)用和I/O中，PSW非常非常非常非常非常非常重要。

用戶態(tài)：用戶程序在用戶態(tài)下運(yùn)行，僅僅只能執(zhí)行cpu整個(gè)指令集的一個(gè)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(tài)中有關(guān)I/O和內(nèi)存保護(hù)（操作系統(tǒng)占用的內(nèi)存是受保護(hù)的，不能被別的程序占用），當(dāng)然，在用戶態(tài)下，將PSW中的模式設(shè)置成內(nèi)核態(tài)也是禁止的。

內(nèi)核態(tài)：當(dāng)cpu在內(nèi)核態(tài)運(yùn)行時(shí)，cpu可以執(zhí)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(tǒng)在內(nèi)核態(tài)下運(yùn)行，從而可以訪問(wèn)整個(gè)硬件）。

當(dāng)軟件在操作系統(tǒng)中打開(kāi)，此時(shí)處于用戶態(tài)，無(wú)法操作系統(tǒng)，假如軟件需要從硬盤中需要讀取某段數(shù)據(jù)，需要操作硬件，此時(shí)軟件控制操作系統(tǒng)此時(shí)處于用戶態(tài)，當(dāng)操作系統(tǒng)收到軟件指令，操作硬盤，此時(shí)切換為內(nèi)核態(tài)，然后把文件讀入內(nèi)存中，供軟件使用，此時(shí)cpu恢復(fù)為用戶態(tài)，cpu是不斷處于內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)切換的過(guò)程的。

4.存儲(chǔ)器系列，L1緩存，L2緩存，內(nèi)存（RAM），EEPROM和閃存，CMOS與BIOS電池

存儲(chǔ)器系列：存儲(chǔ)器按照典型訪問(wèn)時(shí)間，存儲(chǔ)容量分為5個(gè)梯度，從高到低排列，寄存器，高速緩存，內(nèi)存，硬盤，磁帶。

寄存器，1ns，<1K

高速緩存,2ns,4M

內(nèi)存，10ns,512-2048MB

硬盤，10ms,200-1000GB

磁帶，100s，400-800GB

L1緩存即為寄存器，L2緩存即為高速緩存，最常用的高速緩存行放置在cpu內(nèi)部或者非常接近c(diǎn)pu的高速緩存中。

內(nèi)存，通常稱為隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)RAM，容量一直在不斷攀升，所有不能在高速緩存中找到的，都會(huì)到主存中找，主存是易失性存儲(chǔ)，斷電后數(shù)據(jù)全部消失。

除了主存RAM之外，許多計(jì)算機(jī)已經(jīng)在使用少量的非易失性隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)如ROM（Read Only Memory，ROM），在電源切斷之后，非易失性存儲(chǔ)的內(nèi)容并不會(huì)丟失，ROM只讀存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)中，用于啟動(dòng)計(jì)算機(jī)的引導(dǎo)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(shè)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(xiě)。不過(guò)重寫(xiě)時(shí)花費(fèi)的時(shí)間比寫(xiě)入RAM要多。在便攜式電子設(shè)備中中，閃存通常作為存儲(chǔ)媒介。閃存是數(shù)碼相機(jī)中的膠卷，是便攜式音譯播放器的磁盤，還應(yīng)用于固態(tài)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(shù)過(guò)多，就被磨損了。

還有一類存儲(chǔ)器就是CMOS，它是易失性的，許多計(jì)算機(jī)利用CMOS存儲(chǔ)器來(lái)保持當(dāng)前時(shí)間和日期。CMOS存儲(chǔ)器和遞增時(shí)間的電路由一小塊電池驅(qū)動(dòng)，所以，即使計(jì)算機(jī)沒(méi)有加電，時(shí)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(shù)，比如，哪一個(gè)是啟動(dòng)磁盤等，之所以采用CMOS是因?yàn)樗碾姺浅Ｉ?#xff0c;一塊工廠原裝電池（BIOS電池）往往能使用若干年，但是當(dāng)電池失效時(shí)，相關(guān)的配置和時(shí)間等都將丟失。

5.磁盤結(jié)構(gòu)，平均尋道時(shí)間，平均延遲時(shí)間，虛擬內(nèi)存與MMU

磁盤低速的原因是因?yàn)樗环N機(jī)械裝置，在磁盤中有一個(gè)或多個(gè)金屬盤片，它們以5400，7200或10800rpm（RPM =revolutions per minute 每分鐘多少轉(zhuǎn) ）的速度旋轉(zhuǎn)。從邊緣開(kāi)始有一個(gè)機(jī)械臂懸在盤面上，這類似于老式黑膠唱片機(jī)上的拾音臂。信息卸載磁盤上的一些列的同心圓上，是一連串的2進(jìn)制位（稱為bit位），為了統(tǒng)計(jì)方法，8個(gè)bit稱為一個(gè)字節(jié)bytes，1024bytes=1k，1024k=1M，1024M=1G,所以我們平時(shí)所說(shuō)的磁盤容量最終指的就是磁盤能寫(xiě)多少個(gè)2進(jìn)制位。

每個(gè)磁頭可以讀取一段換新區(qū)域，稱為磁道

把一個(gè)戈丁手臂位置上所以的磁道合起來(lái)，組成一個(gè)柱面

每個(gè)磁道劃成若干扇區(qū)，扇區(qū)典型的值是512字節(jié)

數(shù)據(jù)都存放于一段一段的扇區(qū)，即磁道這個(gè)圓圈的一小段圓圈，從磁盤讀取一段數(shù)據(jù)需要經(jīng)歷尋道時(shí)間和延遲時(shí)間

平均尋道時(shí)間

機(jī)械手臂從一個(gè)柱面隨機(jī)移動(dòng)到相鄰的柱面的時(shí)間成為尋到時(shí)間，找到了磁道就以為著招到了數(shù)據(jù)所在的那個(gè)圈圈，但是還不知道數(shù)據(jù)具體這個(gè)圓圈的具體位置

平均延遲時(shí)間

機(jī)械臂到達(dá)正確的磁道之后還必須等待旋轉(zhuǎn)到數(shù)據(jù)所在的扇區(qū)下，這段時(shí)間成為延遲時(shí)間

虛擬內(nèi)存與MMU

虛擬內(nèi)存使電腦能運(yùn)行大于真實(shí)內(nèi)存的程序，虛擬內(nèi)存一般設(shè)置為真實(shí)內(nèi)存的1-1.5倍，其工作原理是在真實(shí)內(nèi)存上運(yùn)行重要的數(shù)據(jù)，暫時(shí)不需要的先放在硬盤的某處，這里即稱為虛擬內(nèi)存，在linux中成為swap，這種機(jī)制的核心在于快速地映射內(nèi)存地址，由cpu中的一個(gè)部件負(fù)責(zé)，成為存儲(chǔ)器管理單元(Memory Management Unit MMU)。

6.磁帶

磁帶價(jià)格便宜，容量大，多作為備份用，并且易于搬運(yùn)。

7.設(shè)備驅(qū)動(dòng)與控制器

設(shè)備驅(qū)動(dòng)：舉例內(nèi)存插入主板，下面有一塊芯片，控制內(nèi)存，但是光有芯片不行，系統(tǒng)需要操控內(nèi)存，但是光寫(xiě)讓自己得硬件可以理解的程序不行，操作系統(tǒng)不能理解這段程序的話，操作系統(tǒng)不能操作內(nèi)存，所以需要設(shè)備廠商寫(xiě)設(shè)備驅(qū)動(dòng)，已操作硬件。

控制器：是查找主板上的一塊芯片或一組芯片（硬盤，網(wǎng)卡，聲卡等都需要插到一個(gè)口上，這個(gè)口連的便是控制器），控制器負(fù)責(zé)控制連接的設(shè)備，它從操作系統(tǒng)接收命令，比如讀硬盤數(shù)據(jù)，然后就對(duì)硬盤設(shè)備發(fā)起讀請(qǐng)求來(lái)讀出內(nèi)容。

8.總線與南橋和北橋

CPU、內(nèi)存以及I/O設(shè)備都由一條系統(tǒng)總線（bus）連接起來(lái)并通過(guò)總線與其他設(shè)備通信

北橋即PCI橋：連接高速設(shè)備

南橋即ISA橋：連接慢速設(shè)備

9.操作系統(tǒng)的啟動(dòng)流程

1.計(jì)算機(jī)加電

2.BIOS開(kāi)始運(yùn)行，檢測(cè)硬件

3.BIOS讀取CMOS中參數(shù)，選擇啟動(dòng)設(shè)備

4.從啟動(dòng)盤第一個(gè)扇區(qū)（MBR主引導(dǎo)記錄），扇區(qū)為512字節(jié)，前446位引導(dǎo)信息，后64為分區(qū)信息，后2位為標(biāo)志位。

5.根據(jù)分區(qū)信息讀入bootloader啟動(dòng)裝載模塊，啟動(dòng)操作系統(tǒng)。

6.然后操作系統(tǒng)詢問(wèn)BIOS，以獲得配置信息。對(duì)于每種設(shè)備，系統(tǒng)會(huì)檢查其設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是否存在，如果沒(méi)有，系統(tǒng)則會(huì)要求用戶按照設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。一旦有了全部的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，操作系統(tǒng)就將它們調(diào)入內(nèi)核。然后初始有關(guān)的表格（如進(jìn)程表），穿件需要的進(jìn)程，并在每個(gè)終端上啟動(dòng)登錄程序或GUI。

10.應(yīng)用程序的啟動(dòng)流程

應(yīng)用軟件在操作系統(tǒng)啟動(dòng)后啟動(dòng)，雙擊應(yīng)用圖標(biāo)，發(fā)送給操作系統(tǒng)指令，然后軟件文件會(huì)從硬盤中調(diào)用到內(nèi)存中，cpu調(diào)用運(yùn)行。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的python硬件驱动_Python学习：计算机基础之计算机硬件的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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