計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)概念

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  1946年二月美國(guó)，世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC誕生，似乎從這一年開始世界便逐漸變得不一樣了。隨著半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間，計(jì)算機(jī)技術(shù)蓬勃發(fā)展，推動(dòng)人類進(jìn)入信息社會(huì)。

  計(jì)算機(jī)操作界面：

  ①圖形用戶界面

  ②命令行界面

  在ENIAC計(jì)算機(jī)研制的同時(shí)，馮.諾依曼與莫爾小組合作研制EDVAC計(jì)算機(jī)，采用了存儲(chǔ)程序方案，即把解題過程中的每一步用指令表示，并按執(zhí)行順序編寫成為程序，存放在存儲(chǔ)器中，稱為馮.諾依曼計(jì)算機(jī)。馮.諾依曼計(jì)算機(jī)有著如下幾個(gè)特點(diǎn)。

  (1)計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器，控制器，存儲(chǔ)器，輸入設(shè)備，輸出設(shè)備五部分組成。

  (2)采用存儲(chǔ)程序的方式，程序和數(shù)據(jù)放在同一個(gè)存儲(chǔ)器中，并以二進(jìn)制碼表示。

  (3)指令由操作碼和地址碼組成。

  (4)指令在存儲(chǔ)器中按執(zhí)行順序存放，有指令計(jì)數(shù)器(PC)指名要執(zhí)行的指令所在的存儲(chǔ)單元地址。

  (5)計(jì)算機(jī)以運(yùn)算器為核心，運(yùn)算器進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算有算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算兩大類，由控制器協(xié)調(diào)操作運(yùn)算器和其他設(shè)備之間的操作，存儲(chǔ)器以隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM為主，輸入輸出設(shè)備與存儲(chǔ)器間的數(shù)據(jù)傳送都通過運(yùn)算器。

  根據(jù)電子計(jì)算機(jī)所采用的物理器件的發(fā)展，一般把電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展分成五個(gè)階段，習(xí)慣上稱之為五代。

  第一代：電子管計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)時(shí)代

  第二代：晶體管計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)時(shí)代

  第三代：集成電路計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)時(shí)代

  第四代：大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代

  第五代：超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代

  計(jì)算機(jī)的硬件是計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)各種功能的基礎(chǔ)，軟件則是實(shí)現(xiàn)功能的方法，由指令加上數(shù)據(jù)構(gòu)成的，將頻率轉(zhuǎn)換成信息類型讓邏輯硬件能夠理解并運(yùn)行。如遙控器紅外線操控功能和觸摸屏進(jìn)行邏輯轉(zhuǎn)換變成二進(jìn)制的機(jī)器語言形式能夠讓計(jì)算機(jī)理解。

  計(jì)算機(jī)語言有機(jī)器語言，微碼語言(匯編語言)和高級(jí)語言三大類，機(jī)器語言作為計(jì)算機(jī)最底層的語言，它的普適性最強(qiáng)但針對(duì)性弱，是由二進(jìn)制直接實(shí)現(xiàn)的，在計(jì)算機(jī)剛出現(xiàn)那會(huì)人們便是利用機(jī)器語言來對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行操作，但由于機(jī)器語言都由二進(jìn)制代碼寫成，這對(duì)于程序員的壓力太大，效率更是低。基于這樣的背景下匯編語言應(yīng)運(yùn)而生。匯編語言利用符號(hào)代替二進(jìn)制碼，因此匯編語言又叫做符號(hào)語言，使用匯編語言編寫的程序，硬件不能直接識(shí)別，要利用匯編程序?qū)R編語言轉(zhuǎn)化成機(jī)器語言這樣硬件才能夠識(shí)別。對(duì)于匯編語言來說這個(gè)過程我們稱之為匯編過程，利用匯編器來達(dá)成。匯編語言與芯片的耦合度很高，但在某個(gè)芯片上編寫的匯編語言基本無法移植到其它芯片上，移植性很差，所以就出現(xiàn)了高級(jí)語言。高級(jí)語言有很多種，C語言，JAVA，PHP，Python，perl等每種語言皆有其針對(duì)性。C語言和JAVA為系統(tǒng)級(jí)語言更接近于底層，PHP，Python，perl等則為應(yīng)用級(jí)語言。雖然高級(jí)語言針對(duì)性強(qiáng)但越接近人類的自然語言，轉(zhuǎn)化成機(jī)器語言的效率就低，會(huì)產(chǎn)生很多中間代碼，在運(yùn)行的時(shí)候所需要的額外開銷越大。

  高級(jí)語言可分為：

  ①系統(tǒng)級(jí)，應(yīng)用級(jí)。

  ②可分為面向過程：按照嚴(yán)格的邏輯結(jié)構(gòu)來編寫代碼。面向?qū)ο螅合鄬?duì)自由，更注重?cái)?shù)據(jù)處理的過程，而不是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

  ③可分為強(qiáng)語言（編譯性語言）：C語言，C++,JAVA。不聲名變量就無法使用，源代碼必須經(jīng)過編譯，不編譯無法使用。弱語言（解釋性語言）：PHP,Python，shell，不聲明變量也可以使用，不經(jīng)過編譯，經(jīng)過解釋器也可以使用。

  操作系統(tǒng)基礎(chǔ)概念

  操作系統(tǒng)(Operating System,OS)是配置在計(jì)算機(jī)硬件上的第一層軟件，是對(duì)硬件系統(tǒng)，是對(duì)硬件系統(tǒng)的首次擴(kuò)充。其主要作用是管理好這些設(shè)備，提高他們的利用率和系統(tǒng)吞吐量，并為用戶和應(yīng)用程序提供一個(gè)簡(jiǎn)單的接口，便于用戶使用。

  目前我們使用的計(jì)算機(jī)是數(shù)字設(shè)備即能夠進(jìn)行數(shù)字信息處理和運(yùn)算的設(shè)備。只能理解二進(jìn)制代碼的數(shù)字設(shè)備。因此任何一個(gè)程序想要在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，必須編碼成二進(jìn)制代碼形式才能被底層硬件所接受，但底層硬件太過簡(jiǎn)單和丑陋，所以為了方便程序員的開發(fā)，供貨商會(huì)為這些底層丑陋的硬件分配匯編接口，但這些匯編接口也很底層。為了能夠很很好的利用這些匯編接口則需要一個(gè)能完成匯編功能的程序——驅(qū)動(dòng)程序。一開始，因?yàn)椴煌挠布枰煌膮R編程序，為了能夠?qū)τ?jì)算機(jī)底層硬件進(jìn)行使用，會(huì)為每一個(gè)底層硬件的匯編接口編寫一個(gè)對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。但是隨著計(jì)算機(jī)的不斷發(fā)展，后來的人覺得使用一個(gè)硬件就要編寫一個(gè)對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序太過復(fù)雜，就有人專門開發(fā)這些計(jì)算機(jī)底層的硬件，封裝成一個(gè)整體，并且共享出來，這樣程序員在開發(fā)程序時(shí)就不需要自行編寫這些代碼，直接調(diào)用即可。這樣程序員在開發(fā)程序時(shí)，直接調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序就可以訪問硬件，匯編成二進(jìn)制流就可以被CPU直接處理了。

  操作系統(tǒng)又稱為硬件虛擬抽象層。是把硬件虛擬化抽象出來的。（如D盤圖標(biāo)等）不直接去使用硬件，而是用一種代替，虛擬的方式去使用硬件。給硬件分配資源，監(jiān)控，防止出現(xiàn)資源分配不合理的情況。資源分配不合理，資源浪費(fèi)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不運(yùn)行。這里的操作系統(tǒng)即為內(nèi)核(kernal)。kernal這個(gè)監(jiān)控程序只是負(fù)責(zé)把底層的硬件驅(qū)動(dòng)起來并且把底層硬件的各種資源虛擬化。如空間復(fù)用，時(shí)間復(fù)用。

  操作接口(shell)，使用操作接口的程序顯示在界面時(shí)容易管理，反之則不容易管理。有的應(yīng)用程序是需要與操作接口作用，產(chǎn)生圖標(biāo)在界面上，有的直接通過操作系統(tǒng)訪問內(nèi)核，而不直接與操作接口作用顯示在界面上（如***）。

  操作系統(tǒng)內(nèi)核可以很好的承上啟下，即操作系統(tǒng)的接口與內(nèi)核kernal之間的聯(lián)系。內(nèi)核可以很好的屏蔽底層丑陋的硬件將虛擬化的硬件資源放在計(jì)算機(jī)界面上方便用戶的使用。軟件尋找操作系統(tǒng)接口和使用操作系統(tǒng)的接口的過程叫system call，利用這個(gè)接口把我們需要的信息，和需要做的操作通過接口傳遞到操作系統(tǒng)的內(nèi)核中。即系統(tǒng)調(diào)用。調(diào)用系統(tǒng)接口的不是程序而是進(jìn)程。程序是靜態(tài)的是死的，進(jìn)程是動(dòng)態(tài)的，是活的。應(yīng)用程序通過操作接口shell，經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)用到操作系統(tǒng)內(nèi)核，由內(nèi)核進(jìn)行匯編，將高級(jí)語言翻譯成匯編語言再翻譯成計(jì)算機(jī)能夠理解的機(jī)器語言，從而對(duì)硬件進(jìn)行調(diào)用。

  一個(gè)完整的操作系統(tǒng)由內(nèi)核和各種應(yīng)用程序組成，內(nèi)核通過屏蔽底層硬件丑陋的接口，虛擬硬件接口以方便用戶使用。這些抽象出來的接口，我們稱之為系統(tǒng)調(diào)用。在程序員編程時(shí)采用的代碼需要哪些接口，這些需要事先了解清楚再編寫代碼，否則所編寫的代碼與操作系統(tǒng)的接口無法匹配上便無法在此操作系統(tǒng)上運(yùn)行調(diào)試。因此程序員必須事先了解清楚操作系統(tǒng)有著哪些接口，但操作系統(tǒng)的接口有著上百個(gè)，這對(duì)于程序員來說也是一種很大的壓力，于是就有一些人將一些常用的到操作系統(tǒng)接口封裝成一個(gè)庫(kù)即Library。Library中包含了大量的方法，程序員可以基于庫(kù)接口進(jìn)行編程也可以基于內(nèi)核接口進(jìn)行編程。在Linux領(lǐng)域，庫(kù)接口的調(diào)用更加自由，方便。這些庫(kù)也稱為API(Application Program Interface).

  如果程序員在編程時(shí)使用的是windows操作系統(tǒng)接口，想要在Linux操作系統(tǒng)中運(yùn)行調(diào)試這一段程序，就要確定起初在編寫程序時(shí)的windows操作接口與現(xiàn)在要運(yùn)行環(huán)境下的操作系統(tǒng)的API庫(kù)能否統(tǒng)一調(diào)用。即POSIX(Portable Operating System)可移植操作系統(tǒng)。任何一個(gè)遵守了POSIX 規(guī)范的程序代碼可以在不同的操作系統(tǒng)上使用。

  編程接口兼容并不意味著二進(jìn)制接口兼容，也就是說，在程序員編寫代碼時(shí)對(duì)操作系統(tǒng)的接口能夠兼容但并不意味著能將所編寫程序的語言轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制機(jī)器語言讓硬件進(jìn)行操作。這里的二進(jìn)制接口兼容即ABI(Application Binary Interface)。將程序的源代碼轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制代碼來實(shí)現(xiàn)。源代碼能不能編譯取決于API能不能兼容，源代碼編譯后能不能執(zhí)行取決于ABI能不能兼容。

  訪問界面程序可以分為兩大類：

  ①圖形用戶界面(GUI)

  ②命令行界面(CLI)

  我們常用的windows系統(tǒng)都有一個(gè)桌面，這個(gè)桌面就是圖形用戶界面，初學(xué)者使用電腦利用GUI會(huì)更容易上手，但是但凡是使用過CLI的人都知道，使用CLI的效率要比使用GUI的要高得多。CLI的入門門檻較高，這也導(dǎo)致了許多人不喜歡使用。但是只要一入門，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)命令行界面是非常簡(jiǎn)單的。使用起來幾乎是透明的，哪一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都能迅速找到并且解決。

  從1945年誕生的第一臺(tái)計(jì)算機(jī)到50年代中期的計(jì)算機(jī)，都屬于第一代計(jì)算機(jī)。這是還未出現(xiàn)OS，對(duì)計(jì)算機(jī)的全部操作都是由用戶采取人工操作方式進(jìn)行的。由程序員將事先已穿孔的紙帶，裝入紙帶輸入機(jī)，再啟動(dòng)它們將紙帶上的程序和數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，然后啟動(dòng)計(jì)算機(jī)運(yùn)行。為了解決人機(jī)矛盾和I/O設(shè)備之間速度不匹配的矛盾，20世紀(jì)50年代末出現(xiàn)了脫機(jī)I/O技術(shù)。該技術(shù)是事先將裝有用戶程序和數(shù)據(jù)的紙帶裝入紙帶輸入機(jī)，在一臺(tái)外圍機(jī)的控制下，把紙帶上的數(shù)據(jù)輸入到磁帶上，當(dāng)CPU需要這些程序和數(shù)據(jù)時(shí)再?gòu)拇艓Ц咚俚卣{(diào)入到內(nèi)存。為了能夠充分提高計(jì)算機(jī)資源的利用率，先把一批作業(yè)以脫機(jī)方式輸入到磁帶上，并在系統(tǒng)中配上監(jiān)督程序，在它的控制下，使這批作業(yè)能夠一個(gè)接一個(gè)地連續(xù)處理。雖然系統(tǒng)對(duì)作業(yè)的處理是成批進(jìn)行，但在內(nèi)存中始終只保持一道作業(yè)，故稱為單道批處理。但單道批處理系統(tǒng)中的資源得不到充分的利用，因?yàn)閮?nèi)存中僅有一道程序所以該程序在發(fā)出I/O請(qǐng)求后，CPU便處于等待狀態(tài)。為了進(jìn)一步提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐量，在20世紀(jì)60年代中期引入了多道程序的設(shè)計(jì)技術(shù)，由此形成多道批處理系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，，用戶所I提交的作業(yè)先存放在外村上，并排成一個(gè)隊(duì)列。然后由作業(yè)調(diào)度程序按一定的算法從隊(duì)列中選若干個(gè)作業(yè)進(jìn)入內(nèi)存，使他們共享CPU的和系統(tǒng)中的各種資源，由于同時(shí)在內(nèi)存中有若干程序，這樣便可以在運(yùn)行程序A時(shí)，利用其因I/O操作而暫停執(zhí)行的空擋時(shí)間在調(diào)度另一程序B執(zhí)行，使多道程序交替執(zhí)行，這樣就可以使CPU處于忙碌狀態(tài)。