python用于硬件_python之计算机硬件知识

偏执的太偏执、 2023-01-09 12:43 199阅读 0赞

编程语言的作用：程序员编程的本质就是让计算机去工作，而编程语言就是程序员与计算机沟通的介质

操作系统和硬件之间的关系：操作系统的出现就是运行于硬件之上，来控制硬件的，我们开发时，只需要调用操作系统为我们提供的简单而优雅的接口就可以了

cpu是人的大脑，负责运算，CPU有向下兼容性

64位处理器可以跑为32位处理器编写的程序，反之则不行

内存是人的记忆，负责临时存储

硬盘是人的笔记本，负责永久存储

输入设备是耳朵或眼睛，负责接收外部的信息传给cpu

输出设备是你的表情，负责经过处理后输出的结果

以上所有的设备都通过总线连接，总线相当于人的神经

寄存器：通用寄存器，程序计数器，堆栈指针，程序状态字寄存。比内存运行速度高，和CPU处理速度差不多

通用寄存器：除了用来保存变量和结果的通用寄存器除外

程序计数器：保存了将要取出的下一条指令的内存地址。在指令取出后，程序计算器就被更新以便执行后期的指令

堆栈指针：它指向内存中当前堆栈的顶端

程序状态字寄存(PSW)：包含了条码位，CPU优先级，模式(用户态或内核态)，以及各种其他控制位(可以通过应用软件驱动硬件)

内核态与用户态：除了在嵌入式系统中的非常简答的CPU之外，多数CPU都有两种模式，即内核态与用户态。

通常，PSW中有一个二进制位控制这两种模式。

内核态：当cpu在内核态运行时，cpu可以执行指令集中所有的指令，很明显，所有的指令中包含了使用硬件的所有功能，(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的部分，因此，一般情况下，在用户态中有关I/O和内存保护(操作系统占用的内存是受保护的，不能被别的程序占用)，当然，在用户态下，将PSW中的模式设置成内核态也是禁止的。

内核态与用户态切换

用户态下工作的软件不能操作硬件，但是我们的软件比如暴风影音，一定会有操作硬件的需求，比如从磁盘上读一个电影文件，那就必须经历从用户态切换到内核态的过程，为此，用户程序必须使用系统调用(system call)，系统调用陷入内核并调用操作系统，TRAP指令把用户态切换成内核态，并启用操作系统从而获得服务。

存储器系列：

先上一张图：

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寄存器:L1缓存,用与cpu相同材质制造，与cpu一样快，因而cpu访问它无时延，典型容量是：在32位cpu中为32\*32，在64位cpu中为64\*64，在两种情况下容量均<1KB。

高速缓存:L2缓存,主要由硬件控制高速缓存的存取，内存中有高速缓存行按照0~64字节为行0，64~127为行1。。。最常用的高速缓存行放置在cpu内部或者非常接近cpu的高速缓存中。

，比如，多数操作系统在内存中保留频繁使用的文件(的一部分)，以避免从磁盘中重复地调用这些文件，类似的/root/a/b/c/d/e/f/a.txt的长路径名转换成该文件所在的磁盘地址的结果然后放入缓存，可以避免重复寻找地址，还有一个web页面的url地址转换为网络地址(IP)地址后，这个转换结果也可以缓存起来供将来使用。

再往下一层是主存，此乃存储器系统的主力，主存通常称为随机访问存储RAM，就是我们通常所说的内存，容量一直在不断攀升，所有不能再高速缓存中找到的，都会到主存中找，主存是易失性存储，断电后数据全部消失

还有一类存储器就是CMOS，它是易失性的，许多计算机利用CMOS存储器来保持当前时间和日期。CMOS存储器和递增时间的电路由一小块电池驱动，所以，即使计算机没有加电，时间也仍然可以正确地更新，除此之外CMOS还可以保存配置的参数，比如，哪一个是启动磁盘等，之所以采用CMOS是因为它耗电非常少，一块工厂原装电池往往能使用若干年，但是当电池失效时，相关的配置和时间等都将丢失

磁盘(硬盘)：磁盘低速的原因是因为它一种机械装置，在磁盘中有一个或多个金属盘片，它们以5400，7200或更高速度旋转，从边缘开始有一个机械臂悬在盘面上，这类似于老式黑胶唱片机上的拾音臂。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)，为了统计方法，8个bit称为一个字节bytes，1024bytes=1k，1024k=1M，1024M=1G,所以我们平时所说的磁盘容量最终指的就是磁盘能写多少个2进制位。

数据都存放于一段一段的扇区，即磁道这个圆圈的一小段圆圈，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机移动到相邻的柱面的时间成为寻道时间，找到了磁道就以为着招到了数据所在的那个圈圈，但是还不知道数据具体这个圆圈的具体位置

平均延迟时间

机械臂到达正确的磁道之后还必须等待旋转到数据所在的扇区下，这段时间成为延迟时间

虚拟内存：

许多计算机支持虚拟内存机制，该机制使计算机可以运行大与物理内存的程序，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，这块地方成为虚拟内存，在linux中称为swap,这种机制的核心在于快速的映射内存地址，由CPU中的一个部分负责，成为存储器管理单元

磁带：因其大容量，在地震水灾火灾时可移动性强等特性，常被用来做备份

设备驱动：每个硬件厂商都会为自己的硬件添加支持各种操作系统的接口，方便该操作系统的CPU调用驱动

控制器：通常情况下对设备的控制是非常复杂和具体的，控制器的任务就是为操作系统屏蔽这些复杂而具体的工作，提供给操作系统一个简单而清晰的接口

总线：处理I/O设备及cpu到存储器

北桥即PCI桥：连接高速设备