计算机基础

2020-08-05 本文已影响0人 ADO_AI

近日复习计算机基础，看到老汤说_计算机基础，深入浅出，很有借鉴意义。做如下笔记，以捋清思路，以便后续回忆。

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一、计算机的基本组成

1. 硬件主要包括主机和外设。主机：CPU和内存；外设：输入/出+外存
1. 软件主要包括系统软件和应用软件。本文主要关注系统软件中的操作系统，因为它是计算机硬件和其他计算机软件的桥梁和中转
  
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二、计算机运行的基本原理

2.1 计算机运行的本质是对数据的操作，具体形式是将所有的地址、操作、数据都进行二进制编码，CPU中的控制器通过地址获取操作和数据；运算器负责执行操作。因此，计算机可以通过三种语言进行操作：1）机器语言(即二进制码)，直接通过二进制码输入来操作机器 2) 汇编语言：与二进制码之间有着某种直接对应关系，也属于比较原始的低级语言 3) 高级语言(又分编译型语言和解释型语言)，更接近于自然语言的编程语言，如C，C++，Java,Python;

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2.2 进制之间的转化
计算机只能识别二进制，二进制是计算机的运行和计算基础。而十进制是我们人类便于阅读的格式；十六进制(0-9,A-F)本质上是二进制的延伸，能够更为精炼地表达二进制数据(说白了就是可以更短地表达二进制数据)。1Byte == 8位；即1字节可以存储0-255(2的八次方-1)
- 2.2.1. 二进制/十六进制转十进制举例：
  
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- 2.2.2. 十进制转二进制/十六进制：采用余数定理，直到商为0，然后自下往上组合，即为所得
  
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- 2.2.3. 二进制和十六进制之间的转化(尤其在字符编码中能够体现)：4位转化法(我自己命名的，嘿嘿 16 = 2的四次方)
  十六进制跟二进制是 一位十六进制==四位二进制
  二进制 111101 转十六进制（不足四位，则自动补零）
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十六进制转二进制(1位16进制==4位2进制，若不足四位，则自动补0； $\color{red}{不可能出现超过四位的情况}$ )

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2.3 各种编码(ASCII/Unicode/UTF-8/GBK) ：上文提到计算机会将所有数据和操作都进行二进制编码，供计算机识别和运行。那么如何将数据和操作进行二进制编码呢？过程无外乎就是数据/操作---数字---二进制数字的转化。我们真实世界中的一切数据都可以由计算机进行处理，如文字及符号、声音、图像。声音和图像本身就可以由数字进行表示；而文字及符号则需要有一套专门的对应关系来转化为数字，这就是编码的作用。
- 2.3.1. ASCII码是1968年诞生的，由美国制定的文字(英文)+符号与数字的对应关系，参见https://baike.baidu.com/item/ASCII
- 2.3.2. Unicode码包含了世界上所有语言符号与数字的对应关系，用16进制数进行表达；比二进制表达更为紧凑，增加了可阅读性；但由于世界上所有的文字和符号数量级达到了百万，导致Unicode编码的十六进制数字，如果转为二进制，则其存储位数可在1-4 Byte之间变动；而Unicode并没有规定这些变动的二进制该以什么样的规则进行存储。
- 2.3.3. UTF-8是Unicode编码的实现方式之一(还有UTF-16/32)，也是目前最为通用的编码方式。 $\color{red}{它规定了Unicode编码中具体的十六进制数究竟应该以多少Byte的二进制数进行存储}$
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2.3.4. GBK是我国编制的，专为中文设计的编码规则

三、操作系统

上述我们在讲到计算机运行的基本原理中提到,其本质是 $\color{red}{对数据的操作,具体形式是将所有的地址、操作、数据都进行二进制编码}$ $\color{red}{CPU中的控制器通过地址获取操作和数据,运算器负责执行操作}$ 计算机可以通过三种语言进行操控：1.机器语言 2. 汇编语言 3. 高级语言(如C,C++,Java,Python). 即在 $\color{orange}{计算机发展的初期，我们是完全可以通过机器语言或者汇编语言直接操作计算机的}$ $\color{orange}{即没有操作系统我们也可以运行计算机。}$

操作系统的诞生是为了更方便、更易扩展地对计算机进行操作！它去对接底层的计算机硬件(CPU/内存)，即它帮助我们做了机器语言或者汇编语言的事情；而将更易用的接口提供给更高级的软件，极大提升了我们计算机操作的丰富性和易用性，是现代计算机的标准结构。总结起来 $\color{blue}{操作系统有两部分功能：1.面向底层硬件的功能 2.面向用户的功能。}$ 面向用户的功能其实就是我们日常生活中电脑使用的一些功能，略去。本部分我们主要介绍操作系统面向底层硬件的功能： $\color{red}{管理CPU、内存、进程/线程/}$ 。下图为整个计算机系统中，操作系统作为连接计算机硬件和其他软件的桥梁： image.png

3.1 操作系统管理CPU、内存、进程/线程
$\color{red}{操作系统管理的基本功能是进行资源调度}$ 。即程序要运行，就要占用CPU和内存资源；而操作系统则负责资源调度，为程序运行做保障。与其说理解操作系统如何管理CPU、内存、进程/线程，不如说操作系统是如何调用这些资源的。内存的调用较为简单，存储空间的分配有两种方式：1. 类似于顺序表的一体式存储结构2. 顺序表的分离式存储结构；即按照以上方式进行空间分配即可。 $\color{blue}{真正让我感到困惑的，就是关于CPU的调用，以及多核、多进程、多线程等概念}$ ， $\color{blue}{而这些概念的模糊，就是对CPU资源调用模式的不清晰所致}$ 。接下来用一段话进行概括：

一个独立核心的CPU，在一个时间段内，是只能干一个活的。要想干活干得多，则有几个办法：

增加核心数: 一个CPU可以有很多个核心(core)，则干活的就多了，即为“多核”

多进程：有了多核(C)，则每个核可以负责一个任务，多个任务并行运算，即为多进程

多线程(T)：原则上一个核在一个时间段内只能干一个活，但是利用超线程技术将一个物理核(实实在在有的核) 模拟出两个逻辑核(虚拟出来，能够执行核心所负责的活)，此时一个物理核变成了两个逻辑核，故能够干两个活，因而称为多线程。

以马万琴给我的服务器配置为例：2 X Intel Xeon Gold 6258R Processor/2.70 GHz/38.5 MB/28C/56T/205W/2UPI/2933MHz 意思是每块CPU参数为28C/56T,共2块CPU。

    这里的“时间段”，是计算机执行时间的最小单位，称为时间片；    
    进程是操作系统分配资源的最小单元, 线程是操作系统调度的最小单元。
    每个进程在执行过程中拥有独立的内存单元，而一个进程的多个线程在执行过程中共享内存。
    一个应用程序至少包括1个进程，而1个进程包括1个或多个线程，线程的尺度更小。

总结起来，特定计算机的资源（算力）是固定的（有多少核，多少线程）；操作系统的作用就是根据当前计算机接到的任务，合理地进行计算资源的分配；当然在我们编程的过程中(Python),我们也可以通过coding的方式，显式地指定资源调用的方式。

python多进程/多线程的内容非常值得深入阅读，待续……https://zhuanlan.zhihu.com/p/46368084

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参考文献
每个程序员必须懂的计算机基础知识老汤说https://www.bilibili.com/video/BV1uz411v75t?p=24
没有操作系统时，人们是如何操控计算机的？
https://www.jianshu.com/p/855be71576e8
ASCII
https://baike.baidu.com/item/ASCII
Python 多进程和多线程
https://zhuanlan.zhihu.com/p/46368084
关于多核，多进程，多线程
https://zhuanlan.zhihu.com/p/82123111
超线程_百度百科
https://baike.baidu.com/item/%E8%B6%85%E7%BA%BF%E7%A8%8B/86034?fromtitle=%E8%B6%85%E7%BA%BF%E7%A8%8B%E6%8A%80%E6%9C%AF&fromid=276864

计算机基础

一、计算机的基本组成

二、计算机运行的基本原理

三、操作系统

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