计算机基石：CPU、内存、硬盘与操作系统
本文作为JavaEE入门，对计算机是如何工作的这个问题做一个基础了解，主要目标是记住一些核心概念，让面试的时候有话可谈~
目录
1、冯诺依曼体系结构
2、计算机硬件组成图
3、内存与硬盘的对比
4、CPU
4.1 两个重要指标
4.1.1 频率
4.1.2 核心数
4.2 CPU执行程序（指令）的过程
4.2.1 程序加载（由操作系统完成）
4.2.2 指令执行循环（核心流程）
① 取指
② 解码
③ 执行
④ 写回
4.2.3 支撑机制（现代 CPU 特性）
4.2.4 结束
5、操作系统
5.1 进程
5.2 进程控制块 PCB
5.3 操作系统管理进程的步骤
5.3.1 创建阶段
5.3.2 进程调度与执行阶段
5.3.3 状态监视与资源管理
5.3.4 终止阶段
1、冯诺依曼体系结构
* 思考：有哪些设备既是输入设备，又是输出设备呢？
2、计算机硬件组成图
*本文主要涉及CPU、内存和硬盘。此图只为加深印象。
3、内存与硬盘的对比
①内存的数据访问速度快，硬盘的访问速度慢；
②内存的存储空间小，硬盘的存储空间大；
③内存数据断电后丢失，硬盘数据断电后持久存储；
④内存成本高，硬盘成本低。
而中央处理器（CPU）的特点是容量较小，存取速度较快，单位成本高。
4、CPU
4.1 两个重要指标
在现代日常开发生产中，主要关心CPU的两个指标：频率 核心数
4.1.1 频率
我们在查看电脑CPU时，会显示两个“速度”，一个是“基准速度”，另一个是“速度”。单位是GHz，也就是10亿Hz。
对应的，“基准速度”就是CPU的基频（也称默频），是CPU在正常、持续满负载下所有核心都能稳定运行的最低保证频率，由厂商设定，属于静态标称值，是固定的；
“速度”则是CPU的睿频（即加速频率）， 是 Intel 或 AMD 等厂商推出的动态频率调整技术，根据当前工作负载、温度、功耗等条件实时提升单个或多个核心的频率，以提高性能。是动态、自适应的。
4.1.2 核心数
因为CPU的频率是有上限的，当无法提升频率时，研发人员就会考虑增加CPU的核心数。
CPU内部是由数不清的 小的电路元件(计算单元) 构成的，计算单元越多，计算速度就越快。在CPU面积固定的情况下，要想计算单元多，单个计算单元就得越小。
但Intel公司认为增加核心的数量还不够，因此研发出了“超线程技术”，让一个CPU核心，顶两个。
我们在自己的电脑上查看CPU时，有以下两个指标：
其中，“内核”是物理核心，类比真实干活的人数；“逻辑处理器”是逻辑核心，类比实际上这些人能同时干多少任务。CPU核心数越多，干活效率就越高。
4.2 CPU执行程序（指令）的过程
CPU的根本任务是执行指令（Instruction），是一个取指 → 解码 → 执行 → 写回的循环过程，由硬件与操作系统协同完成。其中包含的重要组件有控制单元CU(Control Unit)、运算逻辑单元ALU(Arithmetic & Logic Unit)、程序计数器PC(Program Counter) 和指令寄存器IR(Instruction Register)。
CU：驱动ALU去进行具体的计算工作。
ALU：计算机中进行算数（加减乘除）、逻辑运算（与、或、非、异或、移位、求补等）的核心部件。
PC：保存要执行的下一条指令在内存中的地址。
IR：暂存要执行的下一条指令。
指令：主要由 操作码 + 被操作数 组成。本身是数字，以二进制形式保存在内存的某个区域中。（操作码 opcode：表示要做什么动作，被操作数：本条指令要操作的数据）
4.2.1 程序加载（由操作系统完成）
- 程序以可执行文件（如 ELF、PE 格式）存储在磁盘中。
- 操作系统通过加载器将程序的代码段和数据段读入内存。
- 初始化程序计数器（PC），指向程序入口地址（如
main函数）。 - 创建进程控制块（PCB），保存寄存器状态、栈指针等上下文信息。
下面将模拟创造执行情境：
* 此表是模拟简化的，实际上 CPU 支持哪些指令，每个指令如何表示，有哪些意义，在 CPU 设计出来前已经确定了的。这里的 RAM 表示内存。
同时我们约定 A 寄存器 ID 是 00；B 寄存器 ID 是 01。以及约定一条指令是 8 个 bit，1 个字节，则操作码和操作数都是 4 位。（真实的一条指令是 16 个 bit，8 个字节）
初始状态如下：
4.2.2 指令执行循环（核心流程）
① 取指
CPU 从 PC 中获取下一条指令的内存地址。当前 PC 为 0，取得指令 00101110，暂存到 IR 中。
随后PC自动递增
② 解码
③ 执行
接着就是对照指令表，找到 opcode 对应的指令并执行：
因此寄存器 A 中暂存了二进制数字 00000011，也就是 3
④ 写回
结果“存档”到寄存器
CPU 默认顺序执行下一条指令……（如果遇到 条件语句，循环语句，函数调用语句等会发生跳转，即下面将要提及的 支撑机制 ）
步骤同上，一直到 PC 自增到 3 时，到指令 ADD
到这一步后，寄存器 A 中存储的值是 0001 0001，也就是 17。
CPU 继续执行下一条指令，一直到 IR 遇到 00000000，就认为程序已经结束了。而上述过程就是 CPU 处理 3 + 14 的运算过程。
4.2.3 支撑机制（现代 CPU 特性）
流水线（Pipeline）
- 将指令周期分为多个阶段（如 5 级：取指、译码、执行、访存、写回），多条指令重叠执行，提升吞吐率。
- 例如：第 2 条指令在取指时，第 1 条指令可同时解码。
分支预测与乱序执行
- 遇到条件跳转时，分支预测器猜测目标地址，提前取指；若预测错误，需清空流水线并回滚。
- 乱序执行允许非依赖指令提前执行，提高效率。
中断与异常处理
- 外部事件（如 I/O 完成）或错误（如除零）触发中断/异常。
- CPU 保存现场（PC、寄存器），跳转至中断处理程序，处理完成后恢复执行。
多核并行
- 多核 CPU 可同时执行不同线程，每个核心独立维护 PC、寄存器等状态。
4.2.4 结束
- 执行完最后一条指令（或收到
exit系统调用）。 - 操作系统回收内存、文件句柄等资源，调度其他进程运行。
5、操作系统
操作系统是计算机中最重要的“软件”，如 Windows 、Linux、Mac OS、IOS、Android…
操作系统通过驱动程序，管理协作各种硬件设备；操作系统给各种应用程序提供一个稳定的运行环境。
5.1 进程
进程是指正在执行的程序实例，是操作系统进行资源分配和调度的基本单位。当我们双击点开电脑上的 .exe 文件时，就创建了一个进程。进程运行，执行指令，需要消耗 CPU 资源。
5.2 进程控制块 PCB
Process Control Block 是操作系统用于描述和管理进程的核心数据结构，是进程存在的唯一标志。操作系统通常将多个 PCB 以数组或者链表的方式组织起来，以便高效管理。
PCB 的基本要素有：
1、进程标识符 PID：系统内部唯一标识进程的整数。
2、内存指针（一组指针）：指向进程需要执行的指令地址，以及指令依赖的数据地址。
3、文件描述符表：进程在运行过程中，有时候需要与硬盘进行交互，而硬盘上的数据是以文件的形式来组织的。（操作系统中有很多资源都被抽象成文件来表示，不一定是硬盘上的资源）对此，进程在读写文件前需要“打开文件”。每次打开一个文件，操作系统就会返回一个文件描述符，就把这个文件的信息保存在文件描述符表中，后续的读写操作都通过这个整数来引用对应的文件。
4、进程状态
典型的有 就绪状态 和 阻塞状态。
5、进程优先级
进程优先级较高的能吃到更多的 CPU 资源。
6、进程的上下文信息
就像游戏中的存档与读档，当切换下一个进程时，CPU 的寄存器暂存了上一个进程运行的“中间状态”，而保存上下文就是指将 CPU 中的这些寄存器的值保存到内存中（PCB 的对应属性中）；恢复上下文就是指把 PCB 刚才保存的属性，填写回对应的寄存器中。
7、进程的记账信息
具有统计功能，统计每个进程占用的系统资源。如果发现某个进程好久没吃到 CPU 资源了，就会给这个进程倾斜一些资源。
上面提及到的进程状态、进程优先级、上下文信息、记账信息，同属于进程调度功能。
5.3 操作系统管理进程的步骤
5.3.1 创建阶段
当运行一个新程序时，操作系统将在进程表中为其分配一个唯一的进程ID (PID)，同时为进程分配地址空间，加载程序代码。
最重要的是创建了一个 PCB，并初始化 PCB 中的各个属性。并将 PCB 链接到所需的资源。
5.3.2 进程调度与执行阶段
进程创建后进入就绪队列，由操作系统的调度器决定哪个进程获得 CPU 时间：
调度决策：根据调度算法（考虑优先级等）选择下一个要运行的程序；
上下文切换：保存当前进程的上下文（寄存器、程序计数器等）到 PCB；加载选中的新程序的 PCB 上下文到 CPU 寄存器中；
状态流转：进程状态在“就绪”、“运行”、“阻塞”之间切换。当进程请求 I/O 或事件时，进入阻塞状态让出 CPU；时间片用完则回到就绪状态。
5.3.3 状态监视与资源管理
在程序运行期间，操作系统负责维护秩序和资源分配，包括 中断处理、管理内存分配等，以及更新 PCB 中的信息。
5.3.4 终止阶段
当进程执行完毕、被强制终止，或发生严重错误时，操作系统将进行回收资源、移除 PCB，并通知父进程。