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简单介绍计算机的工作过程

news 2025/8/27 7:33:30

前言

本文主要介绍了CPU的基本工作原理和操作系统中进程管理的核心概念。CPU执行指令的过程包括取指、译码和执行三个阶段，需要关注指令集、操作数和执行效率等问题。操作系统的作用在于管理硬件设备和提供稳定的软件运行环境。进程作为系统资源分配的基本单位，其管理涉及描述(PCB)和组织(链表)两个步骤。PCB包含PID、内存指针、文件描述符表等核心属性，支持进程调度和并发执行。进程间通过公共空间进行通信，而内存管理则保证各进程内存空间的独立性。文章通过具体示例和概念解析，帮助读者理解计算机系统的基本运行机制。

一、CPU的基本工作流程

1. CPU 指令的执行过程

以面指令表为例：

指令	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寄存器写入到RAM的指定地址	0100	4位RAM地址
ADD	计算两个寄存器的数据和，将结果保存到第二个寄存器	1000	2位的寄存器ID 2位的寄存器IDＩＤ

注意：寄存器 A 为 00，B 为 01；
指令的运行周期：

地址	数据
0	00101110
1	00011111
2	10000100
3	01001101
4	00000000
5	00000000
6	00000000
7	00000000
8	00000000
9	00000000
10	00000000
11	00000000
12	00000000
13	00000000
14	00000011
15	00001110

假设从地址 0 的位置开始执行：

读取指令：00101110；
解析指令：opcode 为 0010，内存地址为 1110；
执行指令：将内存地址 1110 的值（3）放到寄存器 A 中；
读取指令：00011111；
解析指令：opcode 为 0001，内存地址为 1111；
执行指令：将内存地址 1111 的值（14）放到寄存器 B 中；
读取指令：10000100；
解析指令：opcode 为 1000，寄存器的 ID 分别为 01 和 00；
执行指令：将寄存器 01（14）和 00（3）的值累加放到寄存器 00 中（17）；
读取指令：01001101；
解析指令：opcode 为 0100，内存地址为 1101；
执行指令：将寄存器 A 的值保存到内存地址 1101（17）；

2. CPU指令执行需要关注的细节

CPU要执行的指令是在内存中的（冯诺依曼体系结构的基本设定是让执行单元和存储单元解耦合）；
CPU要想执行指令，需要先从内存中取指令，再解析指令，之后再执行指令；
取指令需要从内存中读取指令到 CPU 寄存器中，取指令操作非常耗时，读取内存相对于 CPU 计算，开销大得多，因此 CPU 通过缓存，流水线等技术优化这里的效率；
CPU 解析指令需要用到指令表，不同架构的 CPU 支持的指令表不同（x86 和 arm 是不同的），指令表的细节保存在 CPU 中，CPU 很容易识别；
指令在执行的过程中会带一些操作数，不同的指令操作数的含义不同；
CPU 的重要参数，主频，可以近似看成一秒钟 CPU 可以执行的指令数个数；

二、简单理解操作系统

1. 操作系统的作用

操作系统的主要作用有两方面：

1. 统一管理硬件设备；

2. 给其它软件提供稳定的运行环境；

由于不同 CPU 的指令集是不同的，操作系统提供的 API 也是不同的，通常程序不能跨平台使用；

但是 JAVA 的虚拟机在操作系统 API 的基础上又进行了封装，能够支持 JAVA 程序跨平台使用；

多任务操作系统：指的是同一个时刻可以运行多个任务；

单任务操作系统：同一时刻只能运行一个程序；

目前所使用的操作系统，大多属于“多任务操作系统”；

2. 进程

进程是操作系统提供的一种软件资源；

进程是系统分配资源的基本单位；

操作系统的任务和进程是等价的，任务就是进程；

1. 进程在系统中管理的两个步骤

1. 描述

通常是使用类或者结构体的形式，把进程的属性都列出来；

操作系统是使用 C/C++ 实现的，因此可以使用结构体来把进程的属性都列出来；

表示进程信息的结构体，也叫做 PCB（Process Control Block）；

在 Linux 上，PCB 是一个叫做 task_struct 的一个结构体；

2. 组织数据

使用一定的数据结构，把这些结构体/对象，组织起来；

在 Linux 中，使用链表这样的数据结构把若干个 task_struct 连起来；

当我们看到任务管理器中查看进程的时候，就是操作系统遍历链表，并展示主要信息的过程；

如果运行一个新的程序，系统就会多出一个进程。新增加的这个程序对应一个新的 PCB，并且把这个 PCB 加入到链表中；

如果程序运行结束退出程序，就会把对应的 PCB 从链表上删除，并释放对应的 PCB 资源；

实际中的操作系统，是一个更加复杂的链式结构，不仅仅是一个简单的单链表；

2. PCB 的核心属性

PCB 是一个非常庞大的结构体，每个结构体有上百个属性，下面介绍几个核心的属性；

PCB 中的核心属性：

PID 表示进程的身份标识：

PID 是一个简单的不重复的整数，类似数据库中表的自增主键；
同一台机器上，同一时刻，每个进程的 PID 是不重复的；

内存指针：描述进程内存资源使用的详细情况；

进程运行过程中需要消耗一些系统资源，内存是一种重要资源；
内存必须要先分配才能使用，不能随意使用；
内存指针就是描述某个进程都能使用哪些内存；
进程运行起来的时候需要指令和数据；
进程也需要知道，哪个内存地址存的是指令，哪个内存地址存的是数据；
进程创建之前需要在内存中加载指令和数据，再创建进程，开始执行；

文件描述符表：描述了进程所涉及的硬盘相关的资源；

进程也需要经常访问硬盘；
操作系统对于硬盘资源进行了抽象封装，按照文件的方式进行操作；
进程要操作文件，需要先打开文件；
打开文件之后，文件描述符表中会新增一个记录，用于记录文件的相关信息；

进程指令在 CPU 上的执行方式；

一个 CPU 可能有一个核心，也可能有多个核心；
同一时刻，同一个 CPU 核心只能执行一个指令；
实际中操作系统往往都是多任务操作系统，往往需要执行几十个甚至上百个进程，远远大于 CPU 核心数；为了将所有进程都运行起来，采用了分时复用的方式，让多个进程的指令轮流执行，也就是并发；只要进程的切换速度足够快，人无法感知到进程的切换过程，看起来就是同时执行的；但是如果进程的数量过于多，就会出现卡顿的现象；
如果 CPU 有多个核心，就可以同时执行多个进程的指令，是并行执行；
多个进程的指令在一个 CPU 核心上轮流执行，是并发执行；
并发执行和并行执行，统称为并发执行，并行和并发往往是同时存在的；
不同进程指令在 CPU 上执行的时间占比就是占用 CPU 资源的占比；

因此，进程的调度实际上是分时复用，并发执行的；下面继续介绍 PCB 中的核心属性：

进程状态：描述某个进程是否能够去 CPU 上执行：