计算机基础：操作系统学习的基石
—— 从电子流动到内存访问的底层逻辑
信息表示：0和1的魔法
计算机的本质是数字电路，其核心特性是电压离散化：
高电平 → 1，低电平 → 0
二进制抽象：电子器件中电荷的存在（1）与缺失（0）构成所有数据的基础。
进制转换示例（十进制→二进制）：
5 ÷ 2 = 2 余 1
2 ÷ 2 = 1 余 0
1 ÷ 2 = 0 余 1
结果：0101（高位补0）
十六进制：简化二进制的工具（4位一组转换）：
1110 0110 → 0xE6
0111 1011 → 0x7B
💡 为什么重要？
操作系统的指令、内存地址、文件数据最终都以二进制存储，理解进制是分析内存转储、调试程序的基础。
逻辑运算：CPU的思维单元
布尔代数（逻辑运算）是CPU指令执行的底层逻辑：
| 运算 | 符号 | 规则 |
|---|---|---|
| 与（AND） | & | 全1则1 |
| 或（OR） | 竖线 | 有1则1 |
| 非（NOT） | ~ | 取反 |
| 异或（XOR） | ^ | 不同则1 |
逻辑门：物理实现这些运算的电路单元，如AND门、OR门。
💡 操作系统关联：进程调度、锁机制依赖逻辑运算（如互斥锁基于AND/OR组合）。
加法器：算术运算的引擎
加法是CPU运算的基石：
- 减法 → 补码转加法（A - B = A + (-B)）
- 乘法 → 加法+移位（二进制累加）
- 除法 → 减法+移位（减法由补码加法实现）
加法器实现：
- 半加器：用XOR计算和位（s = x^y），用AND计算进位（c = x&y）。
- 全加器：增加低位进位输入，串联为行波进位加法器（延迟高），或并行超前进位加法器（现代CPU采用）。
| x | y | s（和） | c（进位） |
|---|---|---|---|
| 1 | 1 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 1 | 0 |
💡 为什么关键？
操作系统的中断处理、时间片计算均依赖底层算术运算。
内存与存储：数据的物理之家
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内存单元 = 晶体管（开关） + 电容（存储）
- 电容充电 → 1，无电荷 → 0。
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位（bit）：最小单位（1b），字节（Byte）：基本访问单元（1B = 8b）。
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地址：内存单元的编号，操作系统通过地址读写数据。
⚠️ 重要限制：内存只能以字节为单位访问，无法单独操作某一位。
总线：计算机的“高速公路”
连接CPU、内存与外设的三大总线：
| 总线类型 | 功能 |
|---|---|
| 地址总线 | 传递内存地址（如32位总线→4GB寻址空间） |
| 数据总线 | 传输实际数据 |
| 控制总线 | 发送读写信号（如内存读、I/O写） |
| 时钟信号 | 协调各部件动作的“指挥棒”，决定CPU主频。 |
寄存器：CPU的快速工作台
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作用：临时存储指令地址、运算状态、中间结果（如计算1+2+4时暂存3）。
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与内存的区别：速度极快（纳秒级），容量小（通常64位CPU有16个通用寄存器）。
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无状态电路：组合逻辑电路（如半加器）结果不保存，需寄存器持久化中间值。
💡 操作系统视角：上下文切换时需保存/恢复寄存器状态！
外设与接口：扩展计算机的能力
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外设：键盘、显示器、硬盘（外存）等I/O设备。
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接口：处理器与外设的“翻译官”（如USB、SATA）。
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协议转换（总线信号→外设信号）
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支持热插拔（如即插即用设备）
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主板：集成CPU、内存、接口的电路基板。
地址空间：资源的“门牌号”系统
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内存地址空间：CPU可寻址的范围（如32位→4GB），大于物理内存（如实际2GB）。
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I/O地址空间：独立编址外设（x86用16位→64K个端口），实际设备占用部分端口。
💡 操作系统核心作用：
通过虚拟内存管理将逻辑地址映射到物理地址，实现多进程隔离！
总结：基础如何支撑操作系统？
- 二进制与逻辑门 → 指令执行
- 寄存器与时钟 → 进程调度
- 地址空间与总线 → 内存管理
- 外设接口 → I/O子系统
学习建议：
理解电容存0/1、总线传数据、寄存器暂存结果，是掌握操作系统内存管理、进程调度的底层钥匙！