计算机系统基础与操作系统笔记
文章目录
- 一、计算机基本构成（冯诺依曼体系结构）
- 二、CPU核心指标详解
- 三、CPU执行指令过程完整解析
- 1. 指令表设计
- 2. 指令格式
- 3. 内存空间示例
- 4. 指令执行三阶段详细过程
- 5. 完整执行流程示例
- 四、操作系统核心功能详解
- 1. 操作系统的作用
- 2. 操作系统组成
- 3. 程序跨平台
- 五、进程管理
- 0. 先描述,再组织
- 1. 进程概念
- 2. 进程控制块(PCB)详细结构
- 3. 进程调度机制
- 4. 进程间通信(IPC)
- 六、操作系统与编程的关系
一、计算机基本构成（冯诺依曼体系结构）
- CPU - 中央处理器，负责执行指令和数据处理
- 存储器 - 包括内存(临时存储)和硬盘(永久存储)等存储设备
- 输入设备 - 键盘、鼠标、扫描仪等输入信息的设备
- 输出设备 - 显示器、打印机、音响等输出信息的设备
二、CPU核心指标详解
- 核心数：
- 物理核心：CPU实际拥有的处理单元数量
- 逻辑核心：通过超线程技术模拟的核心数
- 例如6核12线程表示6个物理核心，12个逻辑核心
- 频率：
- 基础频率：CPU的最低运行频率
- 加速频率：CPU最高可达到的运行频率
- 单位GHz，表示每秒可以执行多少亿个时钟周期
三、CPU执行指令过程完整解析
1. 指令表设计
一个CPU能执行的指令在最初设计时就已确定，通过指令表定义：
| 指令 (instruction) | 功能说明 | 4位 opcode | 操作的地址或者寄存器 |
|---|---|---|---|
| LOAD_A | 从 RAM 的指定地址，将数据加载到 A 寄存器 | 0010 | 4 位 RAM 地址 |
| LOAD_B | 从 RAM 的指定地址，将数据加载到 B 寄存器 | 0001 | 4 位 RAM 地址 |
| STORE_A | 将数据从 A 寄存器写入 RAM 的指定地址 | 0100 | 4 位 RAM 地址 |
| ADD | 计算两个指定寄存器的数据的和，并将结果放入第二个寄存器 | 1000 | 2 位的寄存器 ID，2 位的寄存器 ID |
2. 指令格式
假设每个指令8bit，分为两部分：
- 前4bit是操作码(opcode)：表示指令功能
- 后4bit是操作数(operand)：相当于参数
3. 内存空间示例
| 地址 | 数据 |
|---|---|
| 0 | 00101110 |
| 1 | 00011111 |
| 2 | 10000100 |
| 3 | 01001101 |
| … | … |
| 14 | 00000011 |
| 15 | 00001110 |
4. 指令执行三阶段详细过程
- 取指令阶段：
- CPU根据程序计数器(PC)的值从内存读取指令
- 例如PC=0时读取00101110
- 解析指令阶段：
- 拆分操作码和操作数：0010(操作码) + 1110(操作数)
- 查指令表得知0010是LOAD_A指令
- 操作数1110表示内存地址14
- 执行指令阶段：
- 从内存地址14(1110)读取数据00000011(3)
- 将值3存入A寄存器
- PC自动+1，准备执行下一条指令
5. 完整执行流程示例
- 初始状态：
- PC=0
- A=0, B=0
- 执行地址0指令(00101110)：
- 解析：LOAD_A 14
- 执行：A=内存[14]=3
- PC=1
- 执行地址1指令(00011111)：
- 解析：LOAD_B 15
- 执行：B=内存[15]=14
- PC=2
- 执行地址2指令(10000100)：
- 解析：ADD B(01) A(00)
- 执行：A=A+B=3+14=17
- PC=3
- 执行地址3指令(01001101)：
- 解析：STORE_A 13
- 执行：内存[13]=A=17
- PC=4
- 执行地址4指令(00000000)：
- 结束
四、操作系统核心功能详解
1. 操作系统的作用
- 硬件管理：
- 管理CPU、内存、I/O设备等硬件资源
- 通过驱动程序与硬件交互
- 提供稳定运行环境：
- 为应用程序提供统一的API接口
- 例如Java的System.out.println最终会调用操作系统的write API
2. 操作系统组成
- 内核：核心功能模块
- 配套应用程序：提供用户界面和工具
3. 程序跨平台
不同操作系统之间存在天然的兼容性障碍。例如，在Windows环境下开发的程序，无法直接在Linux或macOS系统上运行。这是因为：
- 各操作系统使用完全不同的可执行文件格式（如Windows的PE、Linux的ELF）
- 系统API调用方式存在根本性差异
- 底层硬件架构也可能不同（如x86与ARM）
Java的跨平台
正是为了解决这种平台割裂问题，Java提出了"一次编写，到处运行"的跨平台方案：
- 统一字节码：Java编译器将源代码转换为平台无关的.class字节码文件
- 定制化JVM：各平台提供自己的Java虚拟机实现
- Windows平台：Windows版JVM
- Linux平台：Linux版JVM
- macOS平台：macOS版JVM
- 无缝衔接：虽然各平台JVM实现不同，但都能正确解释执行相同的字节码
五、进程管理
0. 先描述,再组织
1）描述：通过结构体/类，把进程的各种属性表示出来。
- 主流系统用 C/C++ 实现，广泛用到结构体
struct。
2）组织：通过数据结构，把多个结构体串联起来，并进行增删改查。
- 简单认为，通过链表的方式将多个 PCB（进程控制块）串联到一起。
- 创建进程（如双击 exe 运行程序）：相当于创建一个 PCB 结构体，并插入链表。
- 销毁进程：从链表删除 PCB，并释放结构体。
- 查看进程列表：遍历链表并显示信息。
对于 Linux 操作系统，使用称为 “PCB” 的结构体来描述进程信息。
PCB 包含的信息
PCB（进程控制块）是一个非常复杂的结构体，包含众多属性。以下讨论关键信息：
-
PID（进程标识符）
- 同一时刻，一台机器上所有进程的 PID 是唯一的，不会重复。
- 系统内部通过 PID 定位并操作特定进程。
-
内存指针（一组）
- 描述进程依赖的指令和数据在内存中的具体位置。
- 操作系统运行可执行文件（exe）时，会将其指令和数据加载到内存的特定地址。
-
文件描述符表（顺序表/数组）
- 记录进程当前打开了哪些文件。
- 当进程打开一个文件时，会在表中新增一项。
- 体现了进程对硬盘资源的使用情况。
说明：
- 进程的执行需要内存资源（通过内存指针管理）。
- 进程的执行也可能需要硬盘资源（通过文件描述符表管理）。
1. 进程概念
- 静态程序：硬盘上的可执行文件(如.exe)
- 动态进程：程序加载到内存中执行的实例
2. 进程控制块(PCB)详细结构
- PID：唯一进程标识符，用于系统识别和管理进程
- 内存指针：
- 代码段指针：指向程序指令
- 数据段指针：指向程序数据
- 堆栈指针：指向运行时栈
- 文件描述符表：
- 记录进程打开的文件和I/O设备
- 通常实现为数组结构
- 进程状态：
- 就绪、运行、阻塞等状态
- 状态转换由操作系统调度器控制
- 进程优先级：
- 影响调度顺序
- 可通过nice值调整
- 进程上下文：
- 寄存器值(PC、SP、通用寄存器等)
- 切换进程时需要保存和恢复
- 记账信息：
- CPU使用时间
- 内存使用情况
- I/O操作统计
3. 进程调度机制
- 分时复用原理：
- CPU时间划分为小的时间片(通常几毫秒)
- 每个进程轮流获得时间片执行
- 并发与并行：
- 并发：宏观上同时执行(单核CPU)
- 并行：真正同时执行(多核CPU)
- 上下文切换：
- 保存当前进程的寄存器状态到PCB
- 从PCB恢复下一个进程的寄存器状态
- 类似游戏的存档和读档
4. 进程间通信(IPC)
主要方式：
- 网络通信(socket)
- 管道(pipe)
- 共享内存
- 消息队列
现在最主要的进程间通信方式有且只有一个：通过网络（socket），这个是后续重点内容。
C++ 会讲得更多一些，Java就不做过多讨论了
C++ 进行编程时高度依赖操作系统的原生 API，但对 Java 程序员来说不需要——JVM 包办一切了
六、操作系统与编程的关系
- 系统编程：
- C/C++直接调用系统API
- 需要深入理解操作系统原理
- 高级语言开发：
- Java等语言通过虚拟机抽象系统细节
- 开发者更关注业务逻辑实现