计算机是如何工作的（简单介绍）

布满荆棘的人生 2024-02-18 11:31 51阅读 0赞

**目录**

一、冯诺依曼体系

二、CPU基本流程工作

逻辑⻔

电⼦开关——机械继电器(Mechanical Relay)

⻔电路(Gate Circuit)

算术逻辑单元 ALU（Arithmetic & Logic Unit）

算术单元(ArithmeticUnit)

逻辑单元(Logic Unit)

ALU 符号

寄存器(Register) 和内存(RAM)

控制单元 CU(Control Unit)

指令（Instruction）

三、CPU的基本工作流程

总结：

四、操作系统

五、进程 / 任务（Process / Task）

操作系统的进程管理

PCB的一些核心属性

pid

内存指针

文件描述符表

CPU在pcb中的体现

并发和并行：

状态

优先级：

记账信息：

上下文：

进程的内存分配：

进程间的通信：

都看到这了，点个赞再走吧，谢谢谢谢谢！！！

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## 一、冯诺依曼体系 ##

现代的计算机，大多是遵守冯诺依曼体系结构

**如图：**

> ![0120b6940ac5473ca15098f381214c0f.png][]

**各个部分的分工：**

> • CPU中央处理器:进⾏算术运算和逻辑判断。  
> • 存储器:分为外存和内存,⽤于存储数据(使⽤⼆进制⽅式存储)。  
> • 输⼊设备:⽤⼾给计算机发号施令的设备。  
> • 输出设备:计算机个⽤⼾汇报结果的设备。
> 
>   
> 针对存储空间进行比较：
> 
> 硬盘 > 内存 >> CPU
> 
> 针对数据访问速度进行比较：
> 
> CPU >> 内存 > 硬盘

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## 二、CPU基本流程工作 ##

门电路 => 半加器 => 全加器 => 加法器 => ALU运算器 => 差不多构成CPU

### 逻辑⻔ ###

#### 电⼦开关——机械继电器(Mechanical Relay) ####

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> 
> 通过电⼦开关，我们可以实现 1 位(bit)的看似⽆⽤的逻辑运算，但⾄少它⼯作起来了，不是么。怎么使⽤电⼦开关组合出真正有⽤的逻辑组件。  
> 以后的真空管、晶体管的实质也是完成类似的⼯作，只是物理原理更加复杂，就做深⼊解读了。

#### ⻔电路(Gate Circuit) ####

> 接下来，我们学习如何使⽤电⼦开关构建⼀些有⽤的部件——⻔电路。可以实现 1 位(bit)的基本逻辑运算。  
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> 
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> 
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> 
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#### 算术逻辑单元 ALU（Arithmetic & Logic Unit） ####

ALU 是计算机中进⾏算数、逻辑运算的核⼼部件，是计算机的数学⼤脑。接下来，我们⽤上⼀节构建的逻辑⻔来完成⾃⼰的⼀个 ALU，去学习理解它的⼯作模式，以便作为我们进⼀步理解现代计算机⼯作原理的基⽯。

> ![8133cc223eb54d2a92f8b523c894a88c.png][]

#### 算术单元(ArithmeticUnit) ####

> 算数单元，负责计算机⾥的所有数字操作，⽐如四则运算，当然它能做的远远不⽌这些。接下来我们会带着⼤家实现⼀个 8 位（bits）的加法器（adder）来，以演⽰整个过程，其他的运算器就不再详细讲解了。  
> ![2e3c7c817572415e8f1c1266052cf863.png][]
> 
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> 
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> 
> ⾄此，⼀个 8 位（bits) 加法器就被我们从⽆到有制作了出来。算术单元⽀持的操作当然远不⽌这些，通过继续组合逻辑⻔，算数单元可以做到加减乘除甚⾄更多的算术运算，但⼀个加法器作为演⽰已经⾜够了。实际上，乘法器和除法器的制作难度是要⾼于加、减法器的，有兴趣的同学可以尝试做更多的了解。  
>

#### 逻辑单元(Logic Unit) ####

逻辑单元主要⽤来进⾏逻辑操作，最基本的操作就是 与、或、⾮操作，但不只是⼀位(bit)数的⽐较。

> ![8eb03ab698d44b2293c69d8c18226ff4.png][]

#### ALU 符号 ####

经过我们的努⼒，通过基本的逻辑⻔电路，我们⼀步步地做出了⼀个 8 位(bits) ALU，甚⾄⽐ Intel 74181 还要强⼤，Intel 74181 只是⼀个 4 位(bits) ALU。当然现代的计算机中的 ALU 部件⾮常强⼤，复杂度远远超过了我们的想象，32 位 甚⾄ 64 位基本已经普及全球了。但⽆论如何，再复杂的 ALU 也是芯⽚⼯程师像我们这样，⼀层⼜⼀层，⼀步⼜⼀步地将其抽象出来的。ALU 是第⼀次将⼈类历史上的数学和逻辑学学科有机地结合起来，可以视为⼈类智慧发展的现代巅峰。

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#### 寄存器(Register) 和内存(RAM) ####

光有 ALU 还是远远不够的，我们⽆法为 ALU 提供存储的部件，所以接来下，我们利⽤⻔电路简单说明下存储的制作。注意，虽然图中没有明显的表⽰出来，但这些存储都是要求必须保持通电状态的，也就是这些存储都是易失的（volatile）。

> ![ac9bf74abad74898bcca79756e1e4a4e.png][]
> 
> 中间我们隐藏了⼀些实现细节，最后的效果就是：使能线置位时，输⼊为 1，保存 1；输⼊为 0，保存 0。使能线不置位时，则写⼊⽆效。我们可以利⽤⻔锁，构建我们需要的寄存器和内存。
> 
> ![22bcb0f73cbf4a4fa3db9083d880eff5.png][]
> 
> 内存的构建要⽐这个复杂⼀点，但基本原理⼀致。如此构建的内存被称为 RAM(Random Access Memory)，可以⽀持 O(1) 时间复杂度访问任意位置的数据，这也就是我们数组下标访问操作是 O(1) 的硬件⽀持。
> 
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#### 控制单元 CU(Control Unit) ####

> 我们现在有 ALU、存储了，但这还是不⾜以让我们的计算机⼯作起来，我们需要有⼀个部件来指挥 ALU 进⾏何种的运算，⽽这个部件就是控制单元(CU)。  
> ![2a3f00ec6f2d490ab0ea2041fde46b4d.png][]
> 
> ![4ac6dee3d94040d79942fdc3f6ebad6c.png][]

#### 指令（Instruction） ####

> ⾸先，我们先介绍下我们需要到的指令(instruction)。  
> 所谓指令，即指 CPU 进⾏⼯作的命令，主要有操作码 + 被操作数组成。  
> 其中操作码⽤来表⽰要做什么动作，被操作数是本条指令要操作的数据，可能是内存地址，也可能是寄存器编号等。  
> 指令本⾝也是⼀个数字，⽤⼆进制形式保存在内存的某个区域中  
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## 三、CPU的基本工作流程 ##

> ![ba47dca6ad2d41f39cb7358e75c42341.png][]
> 
> 上面这一段的指令，其实就是内存中的一段数据
> 
> **第一步：**
> 
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> 
> **第二步：**
> 
> ![366e679696664c9dab89617907016a44.png][]
> 
> **第三步：**
> 
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> 
> **第四部：**
> 
> ![b763ef965b7f4740a9fe7614ba1ee25c.png][]
> 
> 再往下就是0地址了，说明指令已经执行完了。

### 总结： ###

> 1、CPU要执行的指令，是在内存中的（冯诺依曼体系结构，基本设定，执行单元（CPU）和存储单元（内存）是分开的，让执行单元和存储单元解耦合）
> 
> 2、CPU要想执行指令，就需要先取指令，再解析指令，然后才能执行指令。
> 
> 3、取指令需要从内存中读取指令到CPU的寄存器中，取指令的操作，其实是非常耗时的（读取内存操作相对于CPU执行计算，开销要大很多）。因此CPU中通过“缓存”、“流水线”等技术，来优化这里的效率。
> 
> 4、CPU解析指令的时候，需要用到“指令表”，不同架构的CPU支持的指令表不同（x86和arm等都是不同的），指令表细节，已经写死到CPU中了，CPU是可以很容易识别的。
> 
> 5、指令在执行过程中，可能会带有一些操作数，不同指令、操作数的个数含义都有所不同。
> 
> 6、CPU重要的参数，主频：主频表示的含义，近似看成是一秒钟以内，CPU能够执行的指令个数。

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## 四、操作系统 ##

操作系统是一个软件，有代码构成的程序

**主要职责：**

> 1、管理各种硬件设备
> 
> 2、给其他软件提供稳定的运行环境

上面这两种职责类似抽象、封装。我们的电脑有很多硬件，如显示器、鼠标、内存、硬盘等等，

这些硬件的生产厂商都不同，所提供的的API也会不同，那么一个电脑是怎么兼容那么多不同的硬件设备呢？很显然，是Windows操作系统，统一管理这么多硬件设备，给软件统一API。

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## 五、进程 / 任务（Process / Task） ##

进程就是操作系统提供的一种软件资源，我们现在的电脑所用的就是多**任务操作系统**，可以同时运行多个任务，如：edge，QQ，IDEA等等，而**单任务操作系统**一次只能运行一个任务，如：老年机。

### 操作系统的进程管理 ###

> 1、先描述，用类 / 结构体这样的的方式，把实体属性表示出来，我们给表示进程的结构体统称为PCB。
> 
> 2、再组织，用一定的数据结构，把这些结构体给组织起来，在Linux中，使用链表的这种数据结构将这些结构体给组织起来。

### PCB的一些核心属性 ###

#### pid ####

> PCB是一个非常庞大的结构体（上百个属性），我们要怎么怎么区分这么多的属性呢？
> 
> 引用pid，进行身份标识，用不同的整数，代表不同的进程，这些整数都是不重复的，用来区分电脑上那么多不同的进程，系统也会保证，每个进程的pid时唯一的。
> 
> 比如我们在任务管理器结束一个任务，就要在任务管理器中选取到这个pid，然后调用系统api，把pid参数传进去，就能把这个后台杀死。

#### 内存指针 ####

> 整个系统中，有些人的电脑的内存是16G的或者其他大小的内存，那么我们内存这么多，16G都可以给我们随便调用的吗？显然不是，就好比去旅馆开房，我们要先订房，交钱才能进到指定的房间，但是如果我们直接强行进入某个房间呢，显然是不合法的。内存的调用也是如此，每个进程，都必须自己申请一块内存，申请了这块内存，进程才能使用。
> 
> 而内存指针，就是用来描述：某些进程能使用哪些内存。内存指针，也是描述某些进程的使用情况。

#### 文件描述符表 ####

> 文件描述符表，描述了这个进程，所涉及的硬盘相关资源。一个进程想要操作文件，需要先“打开文件”，而打开文件，就是让进程在文件描述符表中分配一个表项（构造一个结构体），表示这个文件的相关信息。

#### CPU在pcb中的体现 ####

> 上面的都是内存、硬盘在pcb中的体现，那么在CPU中的体现如何呢？
> 
> 一个进程消耗CPU资源是啥意思？比如CPU是一个舞台，要执行的指令就是演员，但是同一时刻，一个舞台只能给一个演员表演，CPU可能是单核的，也可能是多核的，这时就涉及到分时复用（并发）。

#### **并发和并行：** ####

> 单核的cpu：是先处理进程1完，再处理进程2....，依次往后推的，但是处理这些进程的过程是很快的，我们人脑的反应没那么快，只要电脑切换的足够快，我们人感知不到，我们就可以认为同一时刻，在人眼看来就是多个任务 / 进程 “同时进行”。这个就是**并发**。
> 
> 多核CPU，也就意味着有多个舞台，多个演员可以在舞台上表演，也就是多个进程可以同时执行，只不过是在不同的核心上，这个就是**并行**，同时也在发送着**并发**，因为每个核心都在快速的切换不同的进程。
> 
> 当代计算机执行的过程，是并行和并发同时在发生的，对此，往往就把“并行和并发”统称为并发。

#### 状态 ####

> 描述某个进程，是否能够在CPU上执行，有的时候会不能执行，比如说Scanner，这个要等用户输入完内容，才能执行下一个指令，而状态分又可以细分，如下。
> 
> 就绪状态：
> 
> 随时准备好去CPU上执行，操作系统，一打招呼，就立马执行这个指令。
> 
> 阻塞状态：
> 
> 这个进程，当前不方便去CPU上执行，不应该去调度它，（比如，进程在等待IO，来自控制台的输入/输出）

#### 优先级： ####

> 多个进程在等待系统调度，多个进程的调度会有先后关系，不那么平均，比如你在玩cf，打开了cf，同时qq在后台挂着，这时cf的优先级就比qq高，先玩游戏，玩完后才看qq是否有消息。

#### 记账信息： ####

> 针对每个进程，占据多少CPU的时间，进行一个统计，会根据这个统计结果来进一步调整调度策略，因此就需要在下一个轮次进行调整，确保每个进程都不至于出现完全捞不着CPU的情况。

#### 上下文： ####

> 上下文其实就是一种记录数据和恢复数据的形式，是支撑进程调度的重要属性。
> 
> 类似游戏中的存档和读档。
> 
> 存档：就是进程中得出的某些中间结果，把这个中间结果放在内存的某一个地方上。
> 
> 读档：等进程需要某个中间结果数据的时候，就从内存中调用这个数据，恢复到进程中。
> 
> 保存上下文：就是把cpu关键寄存器上的数据，保存到内存中。
> 
> 恢复上下文：就是把保存在内存中的一些关键数据，加载到CPU上的对应寄存器中

#### 进程的内存分配： ####

> 核心结论：每个进程都是相互独立的，互不干扰的。具有“独立性”
> 
> 如果一个进程崩溃了，也影响到了其他进程崩溃，这种情况，用户的体验是很差的。所以一般情况下，A进程是不能直接访问B进程的内存。

#### 进程间的通信： ####

> 虽然进程具有“独立性”，但是进程间的通信和“独立性”是不矛盾的。
> 
> 当一个任务需要多个进程来协同配合完成，系统就会提供一个公共空间，让不同的进程在这个公共空间进行数据交互。

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## 都看到这了，点个赞再走吧，谢谢谢谢谢！！！ ##

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