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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#xff08;Arithmetic Logic Unit#xff09;
算术单元(ArithmeticUnit)
逻辑单元(Logic Unit)
ALU 符号
寄存器(Regis…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 ALUArithmetic 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 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 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 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) 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。 算术逻辑单元 ALUArithmetic 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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)。 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 三、CPU的基本工作流程 上面这一段的指令其实就是内存中的一段数据 第一步 第二步 第三步 第四部 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。 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。 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edgeQQIDEA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。 都看到这了点个赞再走吧谢谢谢谢谢
