本節重點：

1.編程語言的作用及與操作系統和硬件的關系：

Python是編程語言，簡之，Python即語言。

語言有漢語，外語，是人與人之間溝通交流的介質，編程語言即人與計算機之間的語言，目的是為了讓計算機了解程序員想要表達的內容；

用戶程序操作最終體現在硬件上，但是假如每個用戶程序的基礎都是先寫操作硬件的編程，然后再寫程序功能，寫一個，兩個可以，以后每次寫程序都是先寫操作硬件的代碼，然后再寫程序的代碼豈不是一直在做重復的工作，所以這時候就需要有操作系統了，操作系統操作硬件，對硬件擁有所有權限，用戶程序再控制操作系統，這樣就省去了重復的工作。

2.cup-->內存-->硬盤

cup相當于人體的大腦，作運算的工作；

內存相當于人的臨時記憶，負責臨時存儲的作用；

硬盤相當于筆記本，作永久存儲的作用；

整個運行的過程是，把程序從硬盤中取出，放在內存中運行，然后把關鍵數據輸入到cpu中運算。

3.cpu與寄存器，內核態與用戶態及如何切換

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。

每個cpu都有一套可執行的專門指令集，任何軟件的執行最終都要轉化成cpu的指令去執行。所以Pentium（英特爾第五代x86架構的微處理器）不能執行SPARC（另外一種處理器）的程序。這就好比不同的人腦，對于大多數人類來說，人腦的結構一樣，所以別人會的東西你也都可以會，但對于愛因斯坦的腦子來說，它會的你肯定不會。

因訪問內存以得到指令或數據的時間比cpu執行指令花費的時間要長得多，所以，所有CPU內部都有一些用來保存關鍵變量和臨時數據的寄存器，這樣通常在cpu的指令集中專門提供一些指令，用來將一個字（可以理解為數據）從內存調入寄存器，以及將一個字從寄存器存入內存。cpu其他的指令集可以把來自寄存器、內存的操作數據組合，或者用兩者產生一個結果，比如將兩個字相加并把結果存在寄存器或內存中。

寄存器分為4種：通用寄存器，程序計數器，堆棧指針，程序狀態字寄存器(Program StatusWord,PSW)。

本節主要講解了PSW，這個寄存器包含了條碼位(由比較指令設置)、CPU優先級、模式（用戶態或內核態），以及各種其他控制位。用戶通常讀入整個PSW，但是只對其中少量的字段寫入。在系統調用和I/O中，PSW非常非常非常非常非常非常重要。

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。

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）。

當軟件在操作系統中打開，此時處于用戶態，無法操作系統，假如軟件需要從硬盤中需要讀取某段數據，需要操作硬件，此時軟件控制操作系統此時處于用戶態，當操作系統收到軟件指令，操作硬盤，此時切換為內核態，然后把文件讀入內存中，供軟件使用，此時cpu恢復為用戶態，cpu是不斷處于內核態與用戶態切換的過程的。

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

存儲器系列：存儲器按照典型訪問時間，存儲容量分為5個梯度，從高到低排列，寄存器，高速緩存，內存，硬盤，磁帶。

寄存器，1ns，<1K

高速緩存,2ns,4M

內存，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內部或者非常接近cpu的高速緩存中。

內存，通常稱為隨機訪問存儲RAM，容量一直在不斷攀升，所有不能在高速緩存中找到的，都會到主存中找，主存是易失性存儲，斷電后數據全部消失。

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。

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（BIOS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。

5.磁盤結構，平均尋道時間，平均延遲時間，虛擬內存與MMU

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。信息卸載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

平均尋道時間

機械手臂從一個柱面隨機移動到相鄰的柱面的時間成為尋到時間，找到了磁道就以為著招到了數據所在的那個圈圈，但是還不知道數據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道之后還必須等待旋轉到數據所在的扇區下，這段時間成為延遲時間

虛擬內存與MMU

虛擬內存使電腦能運行大于真實內存的程序，虛擬內存一般設置為真實內存的1-1.5倍，其工作原理是在真實內存上運行重要的數據，暫時不需要的先放在硬盤的某處，這里即稱為虛擬內存，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)。

6.磁帶

磁帶價格便宜，容量大，多作為備份用，并且易于搬運。

7.設備驅動與控制器

設備驅動：舉例內存插入主板，下面有一塊芯片，控制內存，但是光有芯片不行，系統需要操控內存，但是光寫讓自己得硬件可以理解的程序不行，操作系統不能理解這段程序的話，操作系統不能操作內存，所以需要設備廠商寫設備驅動，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。

8.總線與南橋和北橋

CPU、內存以及I/O設備都由一條系統總線（bus）連接起來并通過總線與其他設備通信

北橋即PCI橋：連接高速設備

南橋即ISA橋：連接慢速設備

9.操作系統的啟動流程

1.計算機加電

2.BIOS開始運行，檢測硬件

3.BIOS讀取CMOS中參數，選擇啟動設備

4.從啟動盤第一個扇區（MBR主引導記錄），扇區為512字節，前446位引導信息，后64為分區信息，后2位為標志位。

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。

10.應用程序的啟動流程

應用軟件在操作系統啟動后啟動，雙擊應用圖標，發送給操作系統指令，然后軟件文件會從硬盤中調用到內存中，cpu調用運行。

總結

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內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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