计算机基础

一.python是一种编程语言

编程语言：本质是一门语言

语言:两种事物沟通的表达方式/工具

编程：按自己的思维逻辑，运用编程语言表达出来

编程的目的:按照人类的思维逻辑去工作，从而解放人力

人--------------程序语言----------->计算机

二.计算机基础

计算机：俗称”电脑“， 即通电的大脑，电脑二字蕴含了人类对计算机的终极期望，希望它能真的像人脑一样去工作，从而解放人力。

使用计算机的原因：为了执行人类的程序，从而把人类解放出来

大前提：计算机所有的组成都是模仿人的某一功能或器官

1.计算机的五大组成部分（重点）

• 控制器 作用：是计算机的指挥系统，负责控制计算机所有其他组件的运行

• 运算器 作用： 是计算机的运算功能，用来做算术运算和逻辑运算，相当于人脑

  控制器+运算器=cpu， cpu相当于人的大脑

• 存储器/IO设备 作用：是计算机的记忆功能，负责数据的存取

  分类：

  内存（基于电工作）：存取数据都快，断电数据丢失，只能临时存取数据

  ps: cpu存取的数据和指令都来自于内存

  外存（硬盘，基于磁工作）：存取速度都慢，断电数据也不丢，可以永久保存数据

  ps：内存的存取速度要远远高于外存

• 输入设备input : 计算接收外界输入数据的工具 ,如键盘，鼠标

• 输出设备output : 计算机向外输出数据的工具 ,如显示器，打印机

  ps：存储器如内存、磁盘等既是输入设备又是输出设备，统称为IO设备

2.一个程序的运行与三个核心硬件的关系（重点）

三个核心硬件：cpu、内存、硬盘

程序最先是存放于硬盘之上，程序的运行一定事先把程序的代码加载到内存，然后cpu从内存中读取指令执行

3.操作系统

概念：操作系统是一个协调、管理、控制计算机硬件资源与应用软件资源的一个控制程序 作用： （1）控制计算机硬件的基本运行 （2）把使用硬件的复杂操作封装成简单的功能，给上层的应用程序使用

3.1 系统软件与应用软件

计算机硬件是死的，计算机硬件的运行都受软件控制，所以说，软件相当于计算机的灵魂 具体来说软件分类： （1）应用软件：应用程序相关逻辑 （2）系统软件：控制底层硬件的,操作系统应用软件与硬件之间的一个桥梁，是协调、管理、控制计算机硬件与应用软件资

3.2 计算机系统三层结构

我们开发应用程序本质是在控制硬件，但是我们直接打交道的是操作系统，应用程序都是通过操作系统来间接地操作硬件的，所以一套完整的计算机系统分为三层，如下

计算机系统的三层结构.jpg

平台

应用程序都是运行于操作系统之上，而操作系统则是运行于硬件之上的，所以承载应用程序的是一台运行有操作系统的计算机，称之为应用程序的运行平台，即： 计算机硬件+操作系统=平台

常见的平台有：windows系统+某款硬件、linux系统+某款硬件、ubuntu+某款硬件等

软件的跨平台性指的是：一款软件可以任意平台上运行，是衡量软件质量高低的一个非常重要的指标

4.cpu

• cpu的分类与指令集

  指令集：把程序员控制cpu的指令，转成cpu操作某个组件的指令。这些指令不会自发的运行，由人类控制它才能运行

• cpu的分类：精简指令集，复杂指令集

   精简指令集：指令集简短，完成的事情，非常的简单。
   优点：不容易错，更稳定。
   缺点：实现复杂的操作，需要的指令集就会成堆，才会完成这一件事。
   作用：争对稳定的需求，争对大型的计算机架构的服务器，它就需要精简指令集。（例子：网络设备，服务器等） 

   复杂指令集： 单条指令比较复杂
   优点：单条指令集完成的事情比较多，意味着完成复杂的事，只需要几条就够。
   缺点：单挑指令比较复杂，容易出错，不稳定。
   作用：争对功能更丰富，更强大，因该需要cpu内部的复杂指令集。（例子：个人电脑）

4.1.x86-64（重点）

• x86-cpu型号

• 64位-cpu一次性能从内存中取出64位二进制指令（cpu的位数指的是cpu一次性能从内存中取出多少位二进制指令）

• cpu具有向下兼容性：64的cpu既能运行32位的程序也能运行64位的程序

4.2.内核态与用户态（重点）

cpu的两种工作状态：内核态，用户态

• 内核态：运行的程序是操作系统，可以操作计算机硬件

• 用户态：运行的程序是应用程序，不能操作计算机硬件

内核态与用户态的转换

• 应用程序的运行必然涉及到计算机硬件的操作，那就必须有用户态切换到内核态下才能实现，所以计算机工作时在频繁发生内核态与用户态的转换

多线程与多核芯片

• 2核4线程：2核代表有两个cpu，4线程指的是每个cpu都有两个线程=>假4核

• 4核8线程：4核代表有4个cpu，8线程指的是每个cpu都有两个线程=>假8核

5.存储器

• 结构从上到下：cpu，寄存器，高速缓存，内存，硬盘，磁盘

  存储器.png

*   为了提高cpu读取数据的速度，所以在cpu与磁盘之间引入了内存，然后cpu从内存中读取数据其实也是慢的，所以之间加入的高速缓存，高速缓存还是不够块，又在cpu与高速缓存之间又增加了寄存器，这样一步一步提高cpu读取数据的速度

*   寄存器： 使用cpu同等材质制造而成，在cpu内部集成，cpu运行下一步操作立马需要的指令。

*   高速缓存：存放cpu经常使用的数据。cpu读取数据的时候，先从高数缓存中查看自己所需要的数据，如果有直接从高速缓存中取走，速度很快2ns（这时高速缓存命中）。

• RAM（random access memory 随机存取存储器）：内存

• ROM（ready only memory 只读存储器）：“只读内存” 存放计算机厂商写死计算机上的一段核心程序=》BIOS

• CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor 互补金属氧化物半导体）：存取速度慢，断电数据丢失，耗电量极低

• 硬盘：

  • 机械硬盘:磁盘

    机械硬盘： 依赖于机械的转动，盘片基于磁型号，所以也称之为磁盘。高低磁性号，高磁性号：代表1，二进制1。低磁性号：代表0，二进制0.

    磁头：负责读写数据

  磁道：磁盘的一圈数据，对应着一串二进制（1bit代表一个二进制位）

  单位换算

   注意：严格区分大小写，1kb是1kbit 而不是 1kBytes。小写b表示比特位，大写比表示字节。
   1bit（比特位） = 8Bytes（字节）
   1024Bytes = 1KBytes
   1024KB = 1MB
   1024MB = 1GB
   1024GB = 1TB
   1024TB = 1PB
   ​
   拓展：对应产商的硬盘存储单位1000表示为一个单位，例200G=20010001000B


**扇区**：

注意：**硬盘**的一**次性读写数据**的**最小单位**就是**扇区**。1个扇区为512Bytes。

**拓展**：**操作系统**的**一次性读写的单位**是**1个block块**，block的概念**对应**的是**8个扇区的大小**，也就是4096Bytes。操作系统攒够了block块的容量才交给硬盘，以此来减少与硬盘打交道的次数，从而减少IO次数。（block块大小可以自定义，默认1个block等于8个扇区大小）

##### 柱面:

柱面是哪一部分？所有的盘片，多个盘片上下当成一个整体.

磁盘的分区的概念，从一个柱面开始，到第二个柱面开始，下面的所有范围的整体，就是一个磁盘的分区。

*   **固态硬盘**

    基于电子工作，取代机械硬盘容易损坏的缺点，使用的是物理元件，闪存芯片。

• IO延迟（*****）

  例：假设当前硬盘磁头转速是7200/min，也就是120/s，那么转一圈需要花费1/120≈8ms，半圈也就是4ms 。

  • 平均寻道时间： 硬盘读数据时 ，机械手臂转到数据所在磁道需要花费的时间。受限于物理工艺水平，目前机械硬盘可以达到的是5ms

  • 平均延迟时间： 机械手臂找到该数据所在磁道时，需要定位到该数据，定位到该数据得时间，叫平均延迟时间 。转半圈需要花费4ms，受限于硬盘的转速

  • IO延迟=平均寻道时间+平均延迟时间

  • 优化程序运行效率的一个核心法则：能从内存取数据，就不要从硬盘取

• 虚拟内存

  • 内存不够用的时候，在硬盘上划一块空间，这个空间就叫虚拟内存（拓展：linux系统的swap分区就是虚拟内存）

  • 作用：当内存不够用的时候，保证程序的正常运行。

  IO设备=设备的控制+设备本身

• 磁带

  • 一般用于备份，价格低，容量大，便于携带

6.总线

• 所有的计算的组成部分，这些硬件，都是集成在一块板子上，这块板子就叫主板。而总线就是组件于组件之间来回传输数据的一种桥梁。

• 北桥即PCI桥：负责连接CPU与内存，可以发现北桥连接的都是高速设备。

• 南桥即ISA桥：负责连接SCSI（硬盘的一种接口）、USB（鼠标键盘等一些接口），可以发现南桥连接的是慢速设备。

主线.png

7.操作系统的启动流程

BIOS介绍：

BIOS：Basic Input Output System

BIOS被写入ROM设备

裸机下的3大硬件：

• cpu

• ROM:充当内存，存放BIOS系统

• CMOS：充当硬盘

安装操作系统的启动流程（重点）

1.计算机加电

2.BIOS开始运行，检测硬件：cpu、内存、硬盘等

3.BIOS读取CMOS存储器中的参数，选择启动设备

4.从启动设备上读取第一个扇区的内容（MBR主引导记录512字节，前446为引导信息，后64为分区信息，最后两个为标志位）

5.根据分区信息读入bootloader启动装载模块，启动操作系统

6.然后操作系统询问BIOS，以获得配置信息。对于每种设备，系统会检查其设备驱动程序是否存在，如果没有，系统则会要求用户按照设备驱动程序。一旦有了全部的设备驱动程序，操作系统就将它们调入内核， 完成了BIOS与操作系统的交接，获取了控制所有硬件的最高权限。

安装操作系统后的3大硬件

• cpu

• RAM： 开机以后，操作系统就加载到内存。

• 本地硬盘：分区，启动盘存放操作系统这个应用程序

BIOS

1、存有win10系统的光盘、u盘、移动硬盘：无密码

2、本地硬盘上的win7系统：密码

8.密码破解与相关安全

• 破解操作系统设置的密码

  1、拿个存有无密码的操作系统的U盘，插入电脑U盘接口，充当硬盘

  2、启动BIOS，设置该没有密码的操作系统的启动优先级，待BIOS与该没有密码的操作系统交接完毕，重启计算机，此时优先加载的就是该没有密码的操作系统。

  3、该没有密码的操作系统此时获取了控制所有硬件的最高权限，而那个设置密码了的操作系统，仅仅只是躺在硬盘上的一堆普通的程序无恙，这时就可以随意修改密码。

  4、修改过后，重启计算机，进入BIOS中，把修改密码的操作系统的启动优先级，设置为最优先，重启计算机，拔出U盘，达到修改密码锁定的问题。

• 破解BIOS中设置的密码

  归根结底，BIOS存放在ROM中，而提供启动信息的参数，都存放在CMOS中，可知道的是CMOS由主板电池供电，拔插 主板电池，数据缓存消失，插入以后，原始数据不存在，BIOS中的密码设置也不起作用了。所以说没有绝对的安全。

9.应用程序的启动流程（重点）

1、双击exe快捷方式--》exe文件的绝对路径

2、操作系统会根据文件路径找到exe程序在硬盘的位置，控制其代码从硬盘加载到内存

3、然后控制cpu从内存中读取刚刚读入内存的应用程序的代码执行，应用程序完成启动

三.python入门

1.编程语言

分类：

机器语言：直接用二进制编程

汇编语言： 用一个英文标签代表一组二进制指令

高级语言（编译型、解释型）： 用人类的字符去编写程序

编译型（是把程序所有代码编译成计算机能识别的二进制指令，之后操作系统会拿着编译好的二进制指令直接操作硬件）

总结：

1、执行效率：机器语言>汇编语言>高级语言（编译型>解释型）

2、开发效率：机器语言<汇编语言<高级语言（编译型<解释型）

3、跨平台性：解释型具有极强的跨平台型

2.python介绍

python语言：指的是python的语法风格

python解释器：专门用来识别python这门语言的语法并解释执行的

python语言与python解释器的关系：

1.python解释器是一款应用程序专门用来解释python这门语言的语法风格并执行的

2.python语言缩写的程序最终都是被解释器执行的，所以我们可以这么说python语言更多地都是在调用python解释器的功能，所以解释器性能的高低很大程度决定了我们用python写出来的程序执行效率的高低

3.解释器多版本共存

3.1python解释器部分文件夹介绍

• DDLS：病毒程序需要获取该目录的控制权限

• scripts：存放pip等exe可执行程序，用来安装第三方库。pip pip2 都是一样的功能，只是名字不同。

3.2关于解释器的一些CMD命令操作

• 切换盘：D:

• 查看python3安装的第三方库目录位置：pip3 -V （前提：安装了path环境变量）

• 查看python2安装的第三方库目录位置：pip2 -V （前提：安装了path环境变量）

3.3配置环境变量需要了解的细节

• 环境变量寻找的优先级：计算机先从当前文件夹下找，找不到则到设置的环境变量中从前往后检索。

• 用户环境变量只对当前用户生效，系统环境变量争对所有用户都生效。

• windows7中：使用分号，分隔不同的path路径

3.4python库的虚拟环境介绍

• 开发一款软件，需要定义虚拟环境，避免每个项目所需下载的第三方库在一个pip安装目录下，以免对原生库产生混乱的影响。

环境变量：一般是指在操作系统中用来指定操作系统运行环境的一些参数

4、 运行python程序的两种方式

• 交互式

  即时得到程序的运行结果，多用于调试

• 脚本的方式

  把程序写到文件里(约定俗称文件名后缀为.py)，然后用python解释器解释执行其中的内容

5、一个python应用程序的运行的三个步骤（重点）

python3.8 c.py

1、先启动python3.8解释器

2、解释器会发送系统调用，把c.py的内容从硬盘读入内存，此时c.py中的内容全部为普通字符，没有任何语法意义

3、解释器开始解释执行刚刚读入内存的c.py的代码，开始识别python语法

文本编辑器读取C:\a\b\c.py文件内容三个步骤

1、先启动文本编辑器 2、文本编辑器会发送系统调用，把c.py的内容从硬盘读入内存 3、文本编辑会将刚刚读入内存的内容控制输出到屏幕上，让用户看到结果

总结： 二者在前两个阶段做的事情完全一致 唯一不同的就是第三个阶段对读入内存的python代码的处理方式不同

6.注释

注释：对代码的解释说明,被注释的代码不会被执行

注释的原因：增加代码的可读性

分类：单行注释（#注释内容）多行注释('''注释内容''' """注释内容"""）

7、IDE集成开发环境pycharm

什么是集成开发环境？

• 实际开发中，除了编译器是必须的工具，我们往往还需要很多其他辅助软件。例如：编辑器、代码提示器、调试器、项目管理工具、漂亮的界面，这些工具通常被打包在一起，统一发布和安装，它们统称为集成开发环境

**如何安装pycharm集成开发环境？****

https://blog.csdn.net/qq_34732729/article/details/102910358