1、计算机的基本组成

1.1、计算机组成五大部件

冯·诺依曼体系结构：五大部件

（1）运算器（ALU）：也叫算数逻辑单元，完成对数据的各种常规运算，如加减乘除，也包括逻辑运算，移位，比较等，它是最核心的执行部件，但自己不会主动干活。

（2）控制器（CU）：从存储器中逐条取出指令、分析指令，它是整个计算机系统的控制中心，它指挥计算机各部分协调地工作，保证计算机按照预先规定的目标和步骤进行操作，运算器 + 控制器 = CPU（中央处理器）​，也就是常说的“芯片”。

（3）存储器：记事的，存放程序和数据，硬盘、U盘属于外存储器，速度慢但能长期保存，通常不算在五大部件的“存储器”里。

（4）输入设备：把现实世界的信息转换成二进制送入计算机，例如：键盘、鼠标、扫描仪。

（5）输出设备：把计算机能识别的信息转换为人能识别的信息，进行呈现，例如：显示器、打印机、音箱。

（6）核心工作流程：程序和数据先通过输入设备存入存储器--->控制器取指令、发信号--->运算器从存储器取数据进行计算，结果写回存储器--->最后由输出设备呈现结果。

1.2、系统总线

系统总线（System Bus）​就是连接 CPU、存储器、I/O 设备的公共通信干线。它解决了“部件两两直连太乱太贵”的问题——所有部件都挂到同一组线路上，像公共走廊一样。

（1）数据总线：用来在各个功能部件中间传输数据，是双向传输总线---->(CPU可以发数据写内存，也可以收数据读内存，所以是双向的)

关键考点：数据总线的位数 = 机器字长相关指标，一次能并行传送多少位数据。位数越多，一次搬运的数据越多，速度越快。

（2）地址总线：用来指出数据总线上的源数据或目的数据在主存单元的地址或 io 设备的地址，要访问内存哪个单元、哪个 I/O 端口，地址由 CPU 发出，所以是单向的。

关键考点：地址总线的位数（条数）决定了 CPU 的寻址范围。比如 32 位地址总线 → 可寻址 2³² = 4GB 内存空间。

（3）控制总线：由于各个连接在数据总线和地址总线的部件都是共享这两类总线的，那么在某一时刻由谁来使用，就是控制总线负责完成的，整体双向。

（4）总线的重要特性：

• 分时：同一时刻只能有一个部件向总线发送信息（否则信号冲突）

• 共享：但可以多个部件同时接收信息

• 总线上的信息传输方式：串行/并行

1.3、指令

（1）指令：是指示计算机执行的某种操作的命令。一条指令通常由两部分构成：地址码和操作码

• 操作码：说明“做什么”——是加法、减法、存数、取数还是跳转，操作码的位数决定指令系统最多有多少种指令（n 位操作码最多 2ⁿ 条）。

• 地址码：说明“对谁做”——数据（操作数）存放在哪个内存单元或寄存器。按地址码个数分，有一地址指令、二地址指令、三地址指令等。

（2）程序：由一条一条的指令构成

（3）指令周期：cpu每取出并执行一条指令所需的全部时间称为指令周期

（4）指令系统：计算机能够执行的全部指令的集合称为该计算机的指令系统

（5）RISC：精简指令系统计算机

（6）CISC：复杂指令系统计算机

• 注意：CISC vs RISC：复杂指令系统计算机（指令多而复杂，如 x86） vs 精简指令系统计算机（指令少而简单、执行快，如 ARM——你的手机芯片就是 RISC）

（7）程序与指令：高级指令 汇编助记符 机器指令

（8）指令的执行过程：

CPU 执行一条指令分三步，周而复始：

• 取指令：控制器按程序计数器（PC）给出的地址，从内存取出指令

• 分析指令：控制器对操作码译码，判断要做什么操作

• 执行指令：运算器等部件具体动作，完成后PC自动加1，指向下一条指令、

2、进程概论

（1）进程：一个正在运行的程序，进程是“正在执行的程序”，是操作系统分配资源的基本单位。程序是静态的（磁盘上的文件），进程是动态的（运行中的实体）。一个进程在生命周期中会在三种基本状态之间流转：

（2）PCB：既是进程控制块，是进程存在的唯一标志，用来描述进程的属性信息

（3）进程状态：就绪、运行、阻塞

就绪态：万事俱备，只欠 CPU，多个就绪进程排在就绪队列里“排队等 CPU”。

运行态：正在 CPU 上执行，单 CPU 系统中，同一时刻最多只有一个进程处于运行态（多核可以有多个）。

阻塞态：主动让出，等待事件，进程因等待某事件（如 I/O 完成、申请缓冲区）而暂停执行，即使 CPU 空着也不能运行。

两个重点“不能”：

• 阻塞→ 运行：不可能，阻塞的进程即使它等的事件完成了，也只能先进就绪队列排队，不能直接抢 CPU。

• 就绪 → 阻塞：不可能。​ 就绪态的进程根本没在运行，谈不上“发起 I/O 请求”——只有运行中的进程才能主动阻塞。

3、内存管理

3.1、简单分页  逻辑页  物理页  页表

逻辑页是程序眼里的事，物理页（块）是内存里的事，页表是两者之间的“翻译对照表”。

逻辑页是程序自己的视角——程序从 0 开始连续编址，它不知道也不关心自己被放到了内存哪里。

物理块是内存的真实分割——内存这 8GB 被切成一格一格的“框”。

页表是每个进程私有的翻译表，回答“逻辑上连续，物理上散落各处”的问题——它让程序以为自己住在一套连续的房子里，实际上房间散落全城。

3.2、虚拟内存

内存管理是操作系统的重要职能之一：内存是 CPU 能直接访问的宝贵资源，操作系统要负责内存的分配与回收、地址转换、内存保护、内存扩充。

虚拟内存：

基于分页技术再进一步：程序运行时只把当前用到的页调入内存，暂时不用的留在磁盘上，需要时再通过缺页中断调入。这样：

• 程序可以比物理内存大得多（“逻辑内存”远超“物理内存”）

• 多道程序并发度更高

• 页面淘汰算法（如 LRU 最近最久未使用、FIFO）决定“内存满了换谁出去”——这是常见考点

虚拟内存提供的三个重要的能力：

•  它将主存看成是一个存储在磁盘上的地址空间的高速缓存，在主存中只保存活动区域，根据需要在磁盘和主存之间来回传送数据，使得能够运行比内存大的多的进程。

• 它为每个进程提供了一致的地址空间，从而简化了存储器管理

• 它保护每个进程的地址空间不被其他进程破坏

4、操作系统发展阶段

操作系统：管理计算机上的软硬件资源，为用户提供一个交互的接口。

4.1、串行处理

最早的用法：一个人上机，独占整台计算机的全部资源，纸带/卡片要手工装卸，程序之间完全串行。
致命问题：CPU 是贵重设备，却大部分时间在等人操作——利用率极低。

4.2、批处理

为减少人工干预：把一批作业预先成批录入磁带，由监督程序（Monitor）​自动逐个处理，作业间切换不再需要人。
进步：消灭了人工装卸时间。
遗留问题：内存里始终只有一道作业——它做 I/O（如读磁带，很慢）时，CPU 只能干等着。

4.3、多道程序设计

突破性想法：内存里同时驻留多道作业。A 作业做 I/O 时，CPU 立刻切去运行 B 作业；B 也做 I/O 就切给 C——CPU 和 I/O 设备交叠工作，谁也不闲着。

三个关键词：

• 多道性：内存中同时存放多道作业

• 宏观上并行：多个作业都在“同时”推进

• 微观上串行：单 CPU 任一时刻实际只执行一道作业

它同时带来了操作系统的四大基本特征：并发、共享、虚拟、异步。​多道程序设计是现代操作系统的理论基础，也是这一讲最重要的考点。

4.4、 分时系统

批处理的代价是用户不能交互（作业提交后只能干等结果）。分时系统的解法：

把 CPU 时间切成很短的时间片（如几十毫秒），轮流分配给各终端用户。由于轮转极快，每个用户都觉得自己“独占”整台机器——可以边敲命令边看结果。

分时系统四大特征（必背）：

• 多路性：多个用户同时使用

• 独立性：各用户互不干扰，仿佛独占

• 及时性：终端请求能在很短时间（时间片内）得到响应

• 交互性：人机对话式工作方式