文章目錄 一、馮諾依曼體系二、CPU的基本工作流程1.邏輯門2.門電路(Gate Circuit)1.非門2.與門3.或門4.異或門 3.算術(shù)邏輯單元 ALU（Arithmetic & Logic Unit）1.算術(shù)單元2.邏輯單元 三、存儲(chǔ)器四、操作系統(tǒng)(OS)1，進(jìn)程2.進(jìn)程管理(重點(diǎn))并發(fā)式執(zhí)行并行式執(zhí)行 3. 進(jìn)程的屬性(1) 進(jìn)程的狀態(tài)(2) 進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)(3) 進(jìn)程的上下文(4) 進(jìn)程的記賬信息 4. 虛擬地址空間 總結(jié)
一、馮諾依曼體系
清爽的鑰匙，可以說是計(jì)算機(jī)的祖師爺。被后人成為“現(xiàn)代計(jì)算機(jī)之父”
它提出了計(jì)算機(jī)制造的三個(gè)基本原則，即采用二進(jìn)制邏輯、程序存儲(chǔ)執(zhí)行以及計(jì)算機(jī)由五個(gè)部分組成（運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備），這套理論被稱為lhdrg體系結(jié)構(gòu)。
CPU 中央處理器: 進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯判斷.存儲(chǔ)器: 分為外存和內(nèi)存, 用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)(使用二進(jìn)制方式存儲(chǔ))輸入設(shè)備:用戶給計(jì)算機(jī)發(fā)號(hào)施令的設(shè)備.輸出設(shè)備: 計(jì)算機(jī)個(gè)用戶匯報(bào)結(jié)果的設(shè)備
如果對(duì)于存儲(chǔ)空間
磁盤 > 內(nèi)存 > CPU
如果對(duì)于訪問速度
CPU > 內(nèi)存 > 磁盤
CPU想必都不陌生，現(xiàn)在的電腦CPU已經(jīng)到了 11 代了，這個(gè) 2.40GHz是什么意思呢。這其實(shí)是CPU的主頻
粗略的說：CPU的主頻就是時(shí)鐘的震蕩的每秒次數(shù)，可近似的看作每秒執(zhí)行的指令數(shù)。簡(jiǎn)單的說就是主頻決定了CPU的運(yùn)算速度。
接下來，我們用一個(gè)從無到有的過程，一步步搭建一個(gè) CPU 出來，希望大家可以借助這個(gè)過程，理解CPU、內(nèi)存等計(jì)算機(jī)主要部件的工作原理。
1.邏輯門電子開關(guān) —— 機(jī)械繼電器(Mechanical Relay)
通過電子開關(guān)，我們可以實(shí)現(xiàn) 1 位(bit) 的看似無用的邏輯運(yùn)算。
接下來，我們學(xué)習(xí)如何使用電子開關(guān)構(gòu)建一些有用的部件 —— 門電路。可以實(shí)現(xiàn) 1 位(bit) 的基本邏輯運(yùn)算。其實(shí)幾個(gè)門電路非常好理解，Java的邏輯運(yùn)算差不多。
1.非門非門非常好理解，輸入為 true 輸出 false,輸入false 則輸出 true
兩個(gè)都為 true才輸出true，否則輸出false
一個(gè)為 1則為1，兩個(gè)為 false 則為false
通過非門與門和或門相結(jié)合就形成了異或門，相同為 false，不相同則為 true
這里的 true 和 false 在計(jì)算機(jī)里其實(shí)就是 1 和 0
3.算術(shù)邏輯單元 ALU（Arithmetic & Logic Unit）ALU 是計(jì)算機(jī)中進(jìn)行算數(shù)、邏輯運(yùn)算的核心部件，是計(jì)算機(jī)的數(shù)學(xué)大腦.
說到運(yùn)算我們首先想到二進(jìn)制的運(yùn)算，這個(gè)想必大家都了解，逢二進(jìn)一嘛。
算數(shù)單元，負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)里的所有數(shù)字操作，比如四則運(yùn)算，當(dāng)然它能做的遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些。
半加器：
半加器就是通過一個(gè)與門和異或門，來計(jì)算兩個(gè) 1位(bit)數(shù)的相加，既要考慮到和也要考慮到進(jìn)位。
全加器：
全加器是通過兩個(gè)半加器進(jìn)行 3個(gè)1位(bit)的數(shù) 進(jìn)行運(yùn)算，同樣要考慮計(jì)算出來的和是否要進(jìn)位
加法器
通過1個(gè)半加器和7個(gè)全加器就能組成一個(gè)能計(jì)算 8個(gè)位 1位(bit) 的全加器。
圖中的A和B就是輸入的兩個(gè)數(shù)的第幾個(gè)bit位，同理 S 就是輸出數(shù)的 bit 位
算術(shù)單元支持的操作當(dāng)然遠(yuǎn)不止這些，通過繼續(xù)組合邏輯門，算數(shù)單元可以做到加減乘除甚至更多的算術(shù)運(yùn)算，但一個(gè)加法器作為演示已經(jīng)足夠了。
其實(shí)計(jì)算機(jī)只能做加法運(yùn)算，都是通過加法器來實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)橛?jì)算機(jī)里存的都是補(bǔ)碼，就是為了通過加法器來計(jì)算加減乘除運(yùn)算，只不過更復(fù)雜，這里就不深究。
邏輯單元主要用來進(jìn)行邏輯操作，最基本的操作就是 與、或、非操作，但不只是一位(bit)數(shù)的比較
三、存儲(chǔ)器
存儲(chǔ)器分為內(nèi)存和外存
內(nèi)存：就是平時(shí)所說的電腦內(nèi)存，也就相當(dāng)于手機(jī)的運(yùn)存。
外存：磁盤、U盤等。
內(nèi)存比較而且貴，外存比較大但比較便宜。
內(nèi)存有一個(gè)特點(diǎn)：它可以隨機(jī)訪問內(nèi)存中任意地址的數(shù)據(jù)。
外存其實(shí)也有隨機(jī)訪問的能力，但開銷較大，所以外存更適合順序訪問。
內(nèi)存的訪問速度非?？?，外存的訪問速度非常慢。
CPU上其實(shí)也能存儲(chǔ)，CPU上的寄存器，內(nèi)存更小速度非常的快，也更加的貴！
四、操作系統(tǒng)(OS)操作系統(tǒng)是一個(gè)"搞管理" 的軟件
1.管理硬件設(shè)備
2.管理軟件資源(文件、進(jìn)程)
所謂的”管理“一般值的是兩個(gè)方面：描述+組織
進(jìn)程是操作系統(tǒng)中非常核心的一個(gè)概念，進(jìn)程其實(shí)是計(jì)算機(jī)完成工作的一個(gè)"過程"
如圖所示：進(jìn)程就是一個(gè)正在運(yùn)行的程序，要想讓進(jìn)程跑起來，就得給這個(gè)進(jìn)程分配一定的系統(tǒng)硬件資源（CPU，內(nèi)存，磁盤，網(wǎng)絡(luò)帶寬…）
關(guān)于進(jìn)程，最核心的問題就是進(jìn)程在系統(tǒng)中是如何被管理的，
管理 = 描述(PCB) + 組織
PCB：進(jìn)程的控制塊，這是一個(gè)C語言的結(jié)構(gòu)體類似于Java中的類，一個(gè)結(jié)構(gòu)體對(duì)象就對(duì)應(yīng)一個(gè)進(jìn)程
組織：使用一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來組織，常見的作法就是使用雙向鏈表
查看進(jìn)程列表，本質(zhì)上就是遍歷操作系統(tǒng)內(nèi)核中的這個(gè)鏈表，并顯示其中的屬性；
創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程：本質(zhì)上就是創(chuàng)建一個(gè)PDB對(duì)象，加入到內(nèi)核的鏈表中
銷毀一個(gè)進(jìn)程，本質(zhì)上就是把這個(gè)PCB對(duì)象從內(nèi)核鏈表中刪除掉
PCB中大概有那些屬性呢？
pid:一個(gè)進(jìn)程的身份標(biāo)識(shí)，一個(gè)機(jī)器同一時(shí)刻，不可能有兩個(gè)進(jìn)程的 pid 相同
內(nèi)存指針：描述了這個(gè)進(jìn)程使用的內(nèi)存空間是哪個(gè)范圍（虛擬地址空間）
文件描述符表：描述了這個(gè)進(jìn)程都打開了那些文件
系統(tǒng)中打開一個(gè)文件，其實(shí)就得到了一個(gè)"文件描述符"，這個(gè)文件描述符就像一個(gè)遙控器一樣，文件數(shù)據(jù)是存放在磁盤上的，代碼中操作磁盤數(shù)據(jù)不像操作內(nèi)存數(shù)據(jù)那么方便，所以往往是借助這種遙控器的方式來操作
2.進(jìn)程管理(重點(diǎn))我們電腦上有幾百個(gè)進(jìn)程在運(yùn)行，但電腦只有1個(gè)CPU，而且一般都是4核或者8核的CPU，8核心相當(dāng)于CPU有8個(gè)分身，那么這么多進(jìn)程是怎么運(yùn)行的呢？
進(jìn)程這么多，CPU就那么幾個(gè)分身。那么就涉及到進(jìn)程調(diào)度了，電腦上的多任務(wù)系統(tǒng)其實(shí)就是基于進(jìn)程調(diào)度這樣的機(jī)制來完成的。
并發(fā)式執(zhí)行并發(fā)式執(zhí)行：1個(gè)CPU運(yùn)行多個(gè)進(jìn)程，
由于CPU的運(yùn)行速度極快，雖然CPU在一直進(jìn)行切換，但是咱們坐在電腦前的用戶，是感知不到這個(gè)切換的過程的。
并行式執(zhí)行：多個(gè)CPU，運(yùn)行多個(gè)進(jìn)程
CPU1運(yùn)行進(jìn)程1，CPU2運(yùn)行進(jìn)程2.
進(jìn)程1和進(jìn)程2無論是微觀還是宏觀，都是同時(shí)執(zhí)行的。
真實(shí)的計(jì)算機(jī)，真實(shí)的操作系統(tǒng)在進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度的時(shí)候，是并發(fā)并行兩種策略綜合使用的。
3. 進(jìn)程的屬性 (1) 進(jìn)程的狀態(tài)運(yùn)行狀態(tài)：進(jìn)程正在運(yùn)行
就緒狀態(tài)：進(jìn)程已經(jīng)做好準(zhǔn)備，隨時(shí)準(zhǔn)備被CPU調(diào)度執(zhí)行
阻塞狀態(tài)：進(jìn)程在此狀態(tài)不能執(zhí)行，只有等阻塞該進(jìn)程的事件完成后才能執(zhí)行，比如編程時(shí)等待我們輸入
(2) 進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)給進(jìn)程安排不同的優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)越高的進(jìn)程，更容易被CPU調(diào)度執(zhí)行。
(3) 進(jìn)程的上下文記住進(jìn)程上次運(yùn)行到哪個(gè)指令了，方便下次調(diào)度的時(shí)候能夠繼續(xù)從這個(gè)位置來運(yùn)行。
進(jìn)程的上下文，主要是存儲(chǔ)調(diào)度出CPU之前，寄存器中的信息(把寄存器信息保存到內(nèi)存中)
等到這個(gè)進(jìn)程下次恢復(fù)到CPU上執(zhí)行的時(shí)候，就把內(nèi)存保存好的數(shù)據(jù)恢復(fù)到寄存器中。（進(jìn)程本身是感知不到自己啥時(shí)候被調(diào)度出CPU的）
記錄進(jìn)程在CPU上執(zhí)行了多久了，用來輔助決定這個(gè)進(jìn)程是繼續(xù)執(zhí)行，還是要調(diào)度出CPU了。
4. 虛擬地址空間一個(gè)進(jìn)程想要運(yùn)行，就需要給它分配一些系統(tǒng)資源，其中內(nèi)存就是一個(gè)最核心的資源。
物理地址：真實(shí)的內(nèi)存的地址
假設(shè)：
0x100 - 0x700 這個(gè)內(nèi)存分給 進(jìn)程1
0x100 - 0x700 這個(gè)內(nèi)存分給 進(jìn)程2
0x100 - 0x800 這個(gè)內(nèi)存分給 進(jìn)程3
這里的地址都是操作系統(tǒng)抽象出來的虛擬地址
系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)的把這個(gè)虛擬地址轉(zhuǎn)換成真實(shí)的物理地址
為什么要有虛擬地址空間？而不直接訪問真實(shí)的物理地址？
目的就是為了一定程度的減少內(nèi)存訪問越界，帶來的后果
比如:
進(jìn)程1 的內(nèi)存范圍 0x100 - 0x700,如果我的代碼嘗試修改 0x701的地址的數(shù)據(jù)，這個(gè)操作就是越界訪問（錯(cuò)誤的操作）
如果這是一個(gè)真實(shí)的物理地址，這個(gè)修改就真的把 0x701給修改了,
恰好 0x701是進(jìn)程2 要使用的內(nèi)存地址，此時(shí)進(jìn)程2 可能就出 bug 了，就會(huì)直接奔潰
但如果進(jìn)程訪問的是虛擬地址，也嘗試修改0x701
此時(shí)系統(tǒng)就要針對(duì) 0x701 來查詢頁表，找到對(duì)應(yīng)的物理地址
由于 0x701 已經(jīng)是非法地址，在 頁表中查不到了，系統(tǒng)就會(huì)明白，是在越界訪問，于是就直接讓這個(gè)進(jìn)程出現(xiàn)崩潰（系統(tǒng)就會(huì)發(fā)送一個(gè)型號(hào)，這個(gè)信號(hào)通常會(huì)導(dǎo)致進(jìn)程奔潰），防止影響到其它線程。
這樣做，就讓進(jìn)程和進(jìn)程之間相互影響的可能性變小了，隔離性增加了，進(jìn)程也就更加穩(wěn)定了。
虛擬地址空間：好處就是讓進(jìn)程之間獨(dú)立性提高了，不至于相互影響，整個(gè)系統(tǒng)更加穩(wěn)定。
缺點(diǎn)：兩個(gè)進(jìn)程需要相互配合的時(shí)候，溝通起來就困難了(進(jìn)程間通信)
進(jìn)程1 和 進(jìn)程2 由于虛擬地址空間(進(jìn)程的獨(dú)立性)，導(dǎo)致很難相互進(jìn)行訪問對(duì)方的內(nèi)存。
如果要想相互交流溝通，就需要使用一些特殊的手段,比如：文件，管道(是內(nèi)核中提供的一個(gè)隊(duì)列)，消息隊(duì)列，信號(hào)量等
總結(jié)
進(jìn)程的幾個(gè)重要屬性:
進(jìn)程的狀態(tài)進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)進(jìn)程的上下文進(jìn)程的記賬信息