編程語言的作用及與操作系統(tǒng)和硬件的關(guān)系

編程語言就相當(dāng)于一種能和計(jì)算機(jī)溝通的語言，編程語言告訴系統(tǒng)，我要做什么，系統(tǒng)就會(huì)幫我們控制硬件，完成我們想要完成的動(dòng)作

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應(yīng)用程序 -> 操作系統(tǒng) -> 硬件

應(yīng)用軟件需要完成某項(xiàng)功能的時(shí)候，就需要告訴操作系統(tǒng)，系統(tǒng)控制硬件，完成一次動(dòng)作。

CPU -> 內(nèi)存 -> 磁盤

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。如果內(nèi)存沒有需要的數(shù)據(jù)，則會(huì)從磁盤搜尋，然后再存儲(chǔ)至內(nèi)存。

CPU與寄存器，內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)及如何切換

操作系統(tǒng)必須知曉所有的寄存器。在時(shí)間多路復(fù)用的CPU中，操作系統(tǒng)會(huì)經(jīng)常中止正在運(yùn)行的某個(gè)程序并啟動(dòng)（或再次啟動(dòng)）另一個(gè)程序。每次停止一個(gè)運(yùn)行著的程序時(shí)，操作系統(tǒng)必須保存所有的寄存器，這樣在稍后該程序被再次運(yùn)行時(shí)，可以把這些寄存器重新裝入。

除了在嵌入式系統(tǒng)中的非常簡答的CPU之外，多數(shù)CPU都有兩種模式，即內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)。通常，PSW中有一個(gè)二進(jìn)制位控制這兩種模式。

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，從而可以訪問整個(gè)硬件）

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。

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)器有許多種類，按照存儲(chǔ)速度由高到低排名：寄存器->高速緩存->內(nèi)存->固態(tài)硬盤->磁盤->磁帶。

寄存器：

即L1緩存，與CPU相同材質(zhì)制造，速度一樣快，因而CPU訪問它無時(shí)延。

高速緩存：

即L2、L3緩存，二級緩存是CPU性能表現(xiàn)的關(guān)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(shù)據(jù)被稱為命中，當(dāng)緩存中沒有CPU所需的數(shù)據(jù)時(shí)（這時(shí)稱為未命中），CPU才訪問內(nèi)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(shù)據(jù)占數(shù)據(jù)總量的80%，剩下的20%從二級緩存中讀取。由于不能準(zhǔn)確預(yù)測將要執(zhí)行的數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)占總數(shù)據(jù)的16%）。那么還有的數(shù)據(jù)就不得不從內(nèi)存調(diào)用，但這已經(jīng)是一個(gè)相當(dāng)小的比例了。目前的較高端的CPU中，還會(huì)帶有三級緩存，它是為讀取二級緩存后未命中的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的—種緩存，在擁有三級緩存的CPU中，只有約5%的數(shù)據(jù)需要從內(nèi)存中調(diào)用，這進(jìn)一步提高了CPU的效率。

主存：

再往下一層是主存，此乃存儲(chǔ)器系統(tǒng)的主力，主存通常稱為隨機(jī)訪問存儲(chǔ)RAM，就是我們通常所說的內(nèi)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(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。

非易失性隨機(jī)訪問存儲(chǔ)：

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。不過重寫時(shí)花費(fèi)的時(shí)間比寫入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)過多，就被磨損了。

CMOS：

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?，一塊工廠原裝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。

CMOS電池

主板上的CMOS存儲(chǔ)器和電池

磁盤：

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。信息寫在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)所說的磁盤容量最終指的就是磁盤能寫多少個(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，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。

虛擬內(nèi)存：

許多計(jì)算機(jī)支持虛擬內(nèi)存機(jī)制，該機(jī)制使計(jì)算機(jī)可以運(yùn)行大于物理內(nèi)存的程序，方法是將正在使用的程序放入內(nèi)存取執(zhí)行，而暫時(shí)不需要執(zhí)行的程序放到磁盤的某塊地方，這塊地方成為虛擬內(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)

磁帶：

價(jià)錢相同的情況下比硬盤擁有更高的存儲(chǔ)容量，雖然速度低于磁盤，但是因其大容量，在地震水災(zāi)火災(zāi)時(shí)可移動(dòng)性強(qiáng)等特性，常被用來做備份。（常見于大型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中）

設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(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)，然后就對硬盤設(shè)備發(fā)起讀請求來讀出內(nèi)容。

控制器的功能：通常情況下對設(shè)備的控制是非常復(fù)雜和具體的，控制器的任務(wù)就是為操作系統(tǒng)屏蔽這些復(fù)雜而具體的工作，提供給操作系統(tǒng)一個(gè)簡單而清晰的接口

設(shè)備本身：有相對簡單的接口且標(biāo)準(zhǔn)的，這樣大家都可以為其編寫驅(qū)動(dòng)程序了。要想調(diào)用設(shè)備，必須根據(jù)該接口編寫復(fù)雜而具體的程序，于是有了控制器提供設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口給操作系統(tǒng)。必須把設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序安裝到操作系統(tǒng)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(tǒng)總線，擔(dān)負(fù)著 CPU訪問內(nèi)存的重任。同時(shí)連接這AGP插口，控制PCI總線，割斷了系統(tǒng)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(shè)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(tǒng)的啟動(dòng)流程

在計(jì)算機(jī)的主板上有一個(gè)基本的輸入輸出程序（Basic  Input Output system)

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

應(yīng)用程序的啟動(dòng)流程

1.計(jì)算機(jī)加電

2.BIOS開始運(yùn)行，檢測硬件：cpu、內(nèi)存、硬盤等

3.BIOS讀取CMOS存儲(chǔ)器中的參數(shù)，選擇啟動(dòng)設(shè)備

4.從啟動(dòng)設(shè)備上讀取第一個(gè)扇區(qū)的內(nèi)容（MBR主引導(dǎo)記錄512字節(jié)，前446為引導(dǎo)信息，后64為分區(qū)信息，最后兩個(gè)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BIOS，以獲得配置信息。對于每種設(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