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计算机是如何工作的

news 来源：原创 2025/7/22 3:26:22

冯诺依曼体系

CPU基本工作流程：

逻辑门

门电路

算术逻辑单元 ALU（Arithmetic&LogicUnit）

算术单元(Arithmetic Unit)

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)

CPU的基本工作流程

编程语言(Program Language)

程序(Program)

编程语言的发展

操作系统(Operating System)

操作系统的核心概念：

进程/任务(Process / Task)

操作系统中内核的重要功能：进程管理

详解进程：

操作系统的进程调度关键：分时复用！

完！！！

冯诺依曼体系

现代的计算机，大多都遵守冯诺伊曼体系结构

冯诺依曼体系也称为存储程序计算机，是现代计算机体系结构的基础。

核心思想：

1.二进制：数字计算机的数值采用二进制，即以0和1来作为基础用于数值表示，这种表示方法简化了计算机的电路设计，提高了计算效率。

2.程序顺序进行：计算机按照程序的顺序执行，即预先编好程序，然后交给计算机，计算机按照程序中预先定义好的顺序来进行数值运算。

功能：

1.输入：把需要的程序和数据送至计算机中。

2.存储：具有长期记忆程序，数据，中间结果及最终运算结果的能力。

3.处理：能够完成各种算术运算，逻辑运算和数据传送等数据加工处理操作。

4.控制：能够根据需要，来控制程序走向，并且能够根据指令控制其各部件协调操作。

5.输出：按照要求将处理结果输出给用户。

组成：

运算器：用于完成各种算术运算，逻辑运算和数据传送等数据加工处理的操作。
控制器：用于控制程序的执行，是计算机的大脑。它与运算器一起组成计算机的中央处理器（CPU）
存储器：用于记忆程序和数据，程序和数据以二进制代码形式不加区别地存放在存储器当中，存放位置由地址决定。分为外存和内存，用于存储数据（使用二进制方式进行存储）
输入设备：如鼠标，键盘等，用于将数据和程序输入到计算机中。
输出设备：如显示器，打印机等，用于将数据或程序的处理结果展示给客户。

针对存储空间：

硬盘 > 内存 >> CPU

针对数据访问速度：

CPU >> 内存 > 硬盘

CPU基本工作流程：

下面以一个从无到有的过程，搭建出一个CPU：

逻辑门

电子开关 —— 机械继电器

通过电子开关，可以实现1位(bit)的看似无用的逻辑运算，但至少工作起来了。

门电路

使用电子开关构建一些有用的部件 —— 门电路。可以实现1位(bit)的基本逻辑运算。

算术逻辑单元 ALU（Arithmetic&LogicUnit）

ALU是计算机中进行算术，逻辑运算的核心部件，是计算机的数学大脑。接下来，我们可以用上面构建的逻辑门来完成一个ALU。

补充知识：

进制的理解：

算术单元(Arithmetic Unit)

负责计算机里的所有数字操作。接下来会实现一个8位（bits）的加法器，来演示整个过程。

这样，我们就有了一个8位(bits)的加法器。算术单元支持的操作并不止这些，通过继续组合逻辑门，算术单元可以做到加减乘除甚至更多的算术运算。

逻辑单元(Logic Unit)

逻辑单元主要用来进行逻辑操作，最基本的操作是与，或，非，异或，但不只是一位(bit)数的比较。

ALU符号

经过基本的逻辑门电路，我们实现了一个8位(bits)的ALU，甚至比Intel74181还强大(Intel74181只是一个4位的ALU)

寄存器(Register)和内存(RAM)

光有ALU还是不够的，无法为ALU提供存储的部件。所以还需要门电路简单说明下存储的制作。

可以利用门锁来构建需要的寄存器和内存

内存的构建比寄存器复杂一些，但基本原理一致。如此构建的内存被称为RAM，支持O(1)时间复杂度访问任意位置的数据，这也就是数组下标访问操作是O(1)的硬件支持。

控制单元 CU(Control Unit)

有了ALU，存储，还不足以让计算机工作起来，需要有一个部件来指挥ALU进行何种的运算，这个部件就是控制单元(CU)。

指令(Instruction)

所谓指令，即指导CPU进行工作的命令，由操作码 + 被操作数组成。

其中，操作码用来表示要做什么动作，被操作数是本身指令要操作的数据，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之中。

CPU的基本工作流程

下面，将演示指令运行的一个周期

我们写好的C语言或者Java程序，都是先编译成可执行文件(exe，包含了这个程序运行时要执行的指令和依赖的数据)，当点击exe文件运行的时候，操作系统会把要执行的指令和依赖的数据加载到内存中，在CPU中存在一个特殊的寄存器”程序计数器“，用来保存接下来要从那个内存位置来执行指令，在exe加载到内存后就能被系统自动设置好，也就是说程序计数器此时会默认为0，从0号地址开始执行，同时随着指令的执行，这里的值也会随着更新，默认情况下，就是+1自增（即顺序执行）如果遇到跳转类语句，会被设为其他的值。

执行指令的三个重要阶段：

1.取指令（CPU从内存中读取指令内容到CPU内部（会有专门的寄存器来保存读取到的指令，不是上面所述的A B寄存器））

2.分析指令（识别该指令的功能和操作数）

3.执行指令

初始情况下，从0地址开始读取指令，分析上面的指令表，以0010 1110为例来执行指令

1.取指令：取到00101110指令

2.分析指令：前四位0010为操作码，查表发现0010是LOAD_A操作，用于将数据加载到A寄存器，也就是把地址为1110(十进制为14)的数据读取到寄存器A中

3.执行指令：把14的内存地址对应的数据0000 0011（3）寄存到存储器A中

程序计数器++，执行地址为1的指令，即0001 1111

1.取指令：取到00011111指令

2.分析指令：0001对应LOAD_B操作，也就是将1111（十进制为15）这条地址对应的数据加载到B寄存器中

3.执行指令：把15的内存对应的数据0000 1110（14）存储到寄存器B中

程序计数器++，执行地址为2的指令，1000 0100

1.取指令：取到1000 0100指令

2.分析指令：1000对应ADD操作，也就是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，01为B寄存器。00为A寄存器，所以就是将B寄存器中的数值与A寄存器中的数值相加，然后将结果存放到A寄存器中。

3.执行指令：A寄存器中数据 + B寄存器中数据 = 17(0001 0001)存放在A寄存器中

程序计数器++，执行地址为3的指令，0100 1101

1.取指令：取到0100 1101指令

2.分析指令：0100对应STORE_A操作，将数据从A寄存器写入RAM的指定地址，将A寄存器中的0001 0001(17)存储到1101(13)地址中

3.执行指令：将13号内存中的数据变为0001 0001

程序计数器++，执行地址为4的地址，对应表中数据为0000 0000，表示程序执行结束。则上述过程，完成了 3 + 14的过程。

下面来总结下执行周期经过那些阶段：

当然，电子计算器中的CPU不会像刚刚那样，靠自己来驱动这个周期的运转，而是靠背后的一个时钟来进行周期驱动的。

最后，ALU + CU + 寄存器 + 时钟就组成了我们平时经常看到的一个词汇：中央处理器（Center Process Unit）CPU。

补充认识CPU：

定义与功能：CPU，是计算机系统的核心部件，负责执行计算机的基本算数，逻辑，控制和输入输出操作指令。是计算机的运算和控制核心，是信息处理，程序运行的最终执行单元。

CPU的制作工艺非常精密，现今较为出名的公司：

（1）英特尔（2）AMD（3）高通

CPU的核心参数：
两个重要指标是核心数和频率：

1.核心数：指CPU内部集成的物理核心数量。多核心CPU可以同时处理多个任务，提高整体性能。

线程数：是CPU能够同时处理的线程数量。一般先进的CPU技术（如Intel的超线程技术）允许每个物理核心处理两个或者更多的线程，被称为是逻辑核心 / 逻辑处理器。因此，线程数可能大于等于核心数。如图，我的电脑为16核。内核为12，逻辑处理器为16，此处采用大小核技术架构。

单核处理器与线程：一个核心只能处理一个线程

超线程技术：一个核心能处理多个线程

2.主频：是CPU的时钟频率，表示CPU在单位时间内(秒)发出的脉冲数。它决定了CPU的运算速度，主频越高，CPU的运算速度就越快。主频通常以GHz为单位。

基准速度：一般可以认为是下限速度。

实时频率/睿频（对应图中的速度，它是会动态变化的）：随着频率提升，消耗的电量更高，发热更多...

CPU的频率往往都是动态变化的，会根据任务量动态调整。

计算机都由”功耗墙“，CPU温度达到一定的阈值（105摄氏度），自动降频。（散热工作做好，可以让频率达到更高的水准 --> 超频）

3.指令：（C/Java语言，程序语言编写的程序，最终都要被翻译为”CPU上执行的二进制指令“（机器语言（用二进制表示）或叫做汇编语言））。

4.寄存器：位于CPU的内部，是CPU内部存储数据的部分，具有非常高的存取速度，被用来暂时的存储数据，指令地址和状态信息，以便于CPU在执行指令的时候，能够快读访问到这些数据。

但是，存储数据，主要还是靠内存和硬盘，实际上，CPU在运算中，需要先把数据从内存中读到CPU中，才能进行运算。存储空间往往为几KB，比内存更小，速度比内存更快，成本也比内存更高，断电后会丢失。因此，CPU在计算的时候，就需要反复的从内存加载数据，效率比较有影响。

现代CPU引入了缓存来解决这一问题。

某个内存的数据，经常使用，寄存器又存不下，就可以放在缓存中。数据使用的频率越高，就往L1放，没那么高，就L3，中间就L2。

编程语言(Program Language)

上面，我们大致了解并且制作了CPU和内存，现在我们利用CPU和内存，来尝试还原一下，我们已经熟悉的编程语言。例如：Java是如何和CPU指令对应起来的。

程序(Program)

所谓程序，就算一组指令，以及这组指令要处理的数据。从狭义上来说，程序，通常表现为一组文件。

程序 = 指令 + 指令要处理的数据

jre这组文件中，保存着关于JDK程序的指令和数据。PS：JDK是由多个程序组成的，其中exe结尾的文件可以粗略的认为是按照规定格式保存的指令。

早期编程：

很久以前，那还是我用Win98的时候有次我系统崩溃了，因为我是电脑白痴，我朋友给我介绍了⼀个高手来帮我修电脑。

他看了⼀下电脑，问我有没有98的盘，我说没有。他想了⼀下，叫我把固定电话拿给他，我想修电脑要电话干什么，但人家是高手，我也不好说什么，就把电话拔下来给他了。

他把电话线空着的⼀头接在电脑的⼀个插孔内，然落后入了dos，然后就开始在电话上不停的按着键，他按键的速度异常快，但是只按0，1两个键，我搞不懂这有什么用，但也不敢问，看了半个多小时，他还是不停的按这两个键，我徐徐的有些困，我问他这东西要搞多久，他说要几个小时，我给他倒了杯茶，就⼀个⼈去隔壁睡觉了。

醒来的时候，⼀看已经过了4个多小时，我起⾝到隔壁，看见他正在98里面调试，过了⼀会儿，他说，你试试，我坐上椅子用了⼀下，真的好了，我当时也不懂电脑，谢过人家就走了。后来我慢慢对电脑有了了解，终于了解，原来当时那位高手是用机器语言编了⼀个98系统，我后来问我朋友那位高手的下落，我朋友说前几年去了美国之后，杳无音讯...

当然，上面只是一个流传的趣味小故事，真实性有待考证，不过，最早的电脑，要进行编程，是真的需要用0 1 来进行编程的。

下图为ALtair 8800计算机，是最早的一批微型电脑。用户需要控制开关，一个bit一个bit的将程序录入电脑中。

如果要求计算机的用户都必须会使用二进制编程，那门槛实在是太高了，于是，编程语言应用而生了。

编程语言的发展

为了提升编程效率，最早创造了汇编语⾔的概念。其实汇编语⾔和机器语⾔（也就是指令）直接是完全⼀⼀对应的，只是相对于0、1这些数字，发明了⼀些帮助⼈类记忆和理解的符号将其对应起来，也就是我们上⾯看到的类似LOAD_A、LOAD_B等。程序员完成编程之后，需要使⽤汇编器（assembler）将汇编语⾔翻译成机器语⾔。

虽然汇编降低了程序员的记忆成本，但要求程序还是必须掌握计算机硬件的所有知识，⽽且随着计算机⼚商越来越多，⼀次编写的程序往往只适⽤于⼀类计算机。这个是远远不够的，所以更为⾼级的语⾔诞⽣了，⾼级语⾔屏蔽了硬件细节，让程序员可以站在更⾼的层⾯上思考⾃⼰的业务。这⾥以C语⾔为例，程序员完成程序的编写之后，需要使⽤编译器（compiler）和连接器（linker）将程序翻译成汇编语⾔，再借助汇编器变成最终的机器语⾔。

借助封装的思想，我们学习编程变得越来越容易。不过有利则有弊，⾼度的抽象，导致很多的程序员把计算机视为⼀个⿊箱，完全⽆法理解⾃⼰的程序是如何⼯作起来的，希望我们⼤家不要做这种程序员。我们使⽤的Java语⾔相对于C语⾔更⾼级⼀点，但基本抽象原理上没有太⼤的差异，我们暂时就不展开说明了。

注意：高级语言的一条语句（Statement）往往对应很多条指令（Instruction）才能完成。

操作系统(Operating System)

操作系统是一组做计算机资源管理的软件的统称。目前常见的操作系统由：Windows系列，Unix系列，Linux系列，OSX系列，Android系列，iOS系列...

每个系统之间运行的程序都是不同的，即，系统之间是不兼容的。

举例：在windows写了一个程序，这个程序是不能直接拿到Linux等其它系统上运行的（系统内部的API存在差异）

但是对于Java这种跨平台性的语言，在Windows和Linux有着不同的JVM，这些JVM是兼容同样的字节码。

操作系统的核心概念：

一个操作系统需要做的最重要的事情就是管理

1.管理不同的硬件设备

2.给软件提供稳定的运行环境（同时运行很多程序，要做到程序之间互不干扰）

以上两点也成为”操作系统内核“，是核心功能的集合。一个完整的操作系统就是内核 + 配套的应用程序。

操作系统的定位：

操作系统会管理各种的硬件设备处理器，主存，I/O设备

操作系统给应用程序提供API（接口），让应用程序调用，从而来完成不同的操作。

例如：println是Java标准库提供的函数。JVM中，为了实现println，就会调用操作系统提供的API，执行（Linux对应的系统api叫做write）调用系统API，程序就会进入到系统的内核中执行，此时系统就会操作对应的硬件设备来完成打印操作，操作系统管理的硬件设备有很多。

不是系统直接操作硬件，而是硬件厂商，会提供对应的”驱动程序“，操作系统其实就是通过驱动程序，间接的操作硬件设备的。

进程/任务(Process / Task)

操作系统中内核的重要功能：进程管理

所谓进程，就是正在运行的应用程序。

应用程序的两种状态：

1.没有运行时是一个exe文件，待在硬盘里，为可执行文件

2.运行的时候，exe就会被加载到内存中，并且cpu执行里面的指令，即进程。

进程都是通过操作系统来执行的，执行进程里的指令需要硬件资源。

进程是操作系统分配资源是基本单位！！！

进程是如何管理的呢？----> PCB(Process Control Block)

1.描述：通过结构体或类，把进程的各种属性表示出来（对于Linux系统，使用称为”PCB“（进程控制块）这样的结构体来描述进程信息的）

2.组织：通过数据结构，把多个上面的结构体，串起来，并进一步的进行各种增删改查的操作（简单理解：是通过链表的方式，把上述多个PCB串在一起，但实际上更复杂）

创建新的进程就相当于是创建了一个PCB结构体，并插入到链表中，销毁进程就相当于，删除了某个PCB对应的链表节点，并释放资源。查询进程列表，就算在遍历这个链表，依次显示出对应的信息。

详解进程：

详解PCB(Process Control Block)进程控制块

PCB是一个非常复杂的结构体，里面包含着非常多的属性，重要的如下几个

1.PID进程的标识符

同一时刻，一个机器上的多个进程之间，PID是唯一的，不会重复的，系统内部的很多操作，都是通过PID来找到对应的进程的。

2.内存指针

描述进程依赖的指令和数据都在内存中的那个区域。在运行exe程序之后，操作系统就会读取exe中的指令和数据，加载到内存中（内存地址），有了内存地址，就知道进程对应的指令和数据在系统的那个位置。侧面的表现出：进程的执行，是需要一定的内存资源的。

3.文件描述符表（顺序表 / 数组）

用来描述打开了那些文件，对应到硬盘上的数据，进程中打开了某个文件，就会在顺序表中添加一项。侧面表示出：进程的执行，是需要一定的硬盘资源的。

4.进程的状态优先级上下文统称为进程的调度

计算机上同时存在很多进程，这些进程是需要同时进行的，该如何执行呢调配呢？CPU负责执行，CPU每个核心，可以执行一个进程（执行进程里的指令，执行过程就算取指令，分析指令，执行指令），上文有介绍，我的电脑是16核心，那么我的电脑只能同时执行16个进程，其他的线程怎么办？

操作系统的进程调度关键：分时复用！

现如今的操作系统，都是多任务系统，同时可以运行多个进程。分时复用简单来说，就是同一时刻，由于切换速度非常快，就相当于CPU在同时运行多个程序。以我们的视角来看，程序的确是同时执行 -- 并发执行的。（但微观上却是一个一个的接着执行的，只不过执行的速度很快，感受不到切换的间隙罢了）

现在又有了多核心的CPU，此时，每个核心和每个核心之间，微观上也能同时执行不同的进程，微观上 --> 并行执行。

并发执行：多任务在同一时间执行，强调同一时间。

并行执行：多任务在多核心上执行，强调多核心。

并发/并行执行，都是操作系统内核同一调配调度的，程序员 / 普通用户，感知不到，因此，也就同一称为”并发“，对应的编程方法，也称为”并发编程“。

进程的状态，优先级，上下文，就是用来支持并发执行的调度过程的。

进程状态：

就绪状态：随时可以被调度到CPU上执行指令的

堵塞状态：无法调度到CPU上执行，之所以阻塞，是因为要做一些其他的工作，比如进行I/O操作（读写硬盘...）我们学过的scanf，Scanner输入就是典型的阻塞状态，它会从控制台读取输入，代码执行到这样的语句时，就会被”卡住“，是等待I/O产生的阻塞，直到输入数据后，才会继续执行。

进程的优先级：

也就是CPU获取资源的先后顺序问题。

进程的上下文：

分时复用，一个进程执行一会之后，就要从CPU上调度走，过一段时间，还会再调度回CPU，就要沿着上次执行的结果（之前执行的中间结果），继续向后执行

进程的记账信息：

优先级的加持之下，使得不同的进程所能吃的资源，差异越来越大，操作系统回统计每个进程再CPU上执行的时间，从而进一步的对调度进行调整。

冯诺依曼体系

CPU基本工作流程：

逻辑门

门电路

算术逻辑单元 ALU（Arithmetic&LogicUnit）

算术单元(Arithmetic Unit)

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)

CPU的基本工作流程

编程语言(Program Language)

程序(Program)

编程语言的发展

操作系统(Operating System)

操作系统的核心概念：

进程/任务(Process / Task)

操作系统中内核的重要功能：进程管理

详解进程：

操作系统的进程调度关键：分时复用！

完！！！

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