大家好， 新的一年，会把重心放在做号的初衷，计算机基础知识！

常关注我公众号的朋友应该看过这几篇文章了吧！

[面试官，您确定要让我展开讲进程吗？]

[腾讯面试：进程通信了解么？]

[腾讯二面：大白你了解共享内存吗]

这个系列文章的本意是提升大家对于操作系统的了解。对于操作系统有深入的理解能帮助大家在编程时更好的把计算机的性能利用起来。但是发出来后我发现了一个问题，就是我自己写的很爽，也学到很多，可没操作系统基础的同学却根本看不懂。现在我想的是既然要写，那我就把操作系统写透吧，出一个完整的操作系统教程。我文章的结构是这样的，首先带大家一章一章的学习操作系统的基础，尽量做到和实际相结合由浅入深。我觉得这样会更形象，帮助大家更好更深入的理解操作系统。

我把我学习过程中用到的参考书籍的 pdf 整理了一下上传到云盘了。大家在后台回复 ”操作系统“ 就可以领取。书籍包含 《操作系统导论》、《天勤操作系统》、《天勤计算机组成原理》、《现代操作系统》。

前两篇文章我们要给操作系统铺路，先要讲清楚计算机是如何工作的，然后再讲清楚操作系统是如何运行在计算机上工作的，做了哪些事情！

冯诺依曼体系

大家应该都学过计算机组成原理了吧？没学过也没关系，我带着大家统一回顾下。按照冯诺依曼体系来说，计算机是由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备 这5大部分组成的。各部分作用如下：

运算器：运算器是对信息进行处理和运算的部件，主要功能是进行算数和逻辑运算。

控制器：控制器是计算机控制中心。由他来获取指令，然后通过获取到的指令指导运算器取出哪些数据，进行什么样的运算。

存储器：存储器分为内存和外存。CPU能够直接访问的是内存。内存存放程序和数据，内存是计算机实现“存储控制的基础”。外村用于帮助内存记忆更多信息。

输入设备好理解，就比如鼠标和键盘；输出设备也好理解，就比如显示器。

如果你考研考计算机组成原理的话，你应该把上面的背的很熟了，上面各组成部分作用的描述我抄了一部分天勤考研教程上面的（但是我感觉天勤说的太空了，考研没问题，但实际要用光记住上面这些还不够~），不知道你是否真的理解了上面这些部件的工作原理。不管之前学过没学过，我希望通过我下面的讲解让大家脑海里有个计算机执行的流程图。

根据需求来设计我们的计算机体系架构

接下来就假设我们自己要设计一个可用的计算机，我们来分析下各部分组件需要做什么，为了大家更好理解，文章会丢掉 一些严谨性。

外存

首先我们的电脑需要一块地方存我们的文件（不管是你的软件还是视频还是文档都是以二进制文件形式存储的，Linux 操作系统的理念就是一切皆文件）。因为要存的文件有很多，所以我们需要很大的存储空间（大概需要 500G 或者 1T 吧），这就要求我们造存储器的成本要低；另外既然是存文件，那么一旦存下来后我是希望文件在存储器上是能永久保留下来的。按照这个要求去筛选，硬盘是可以符合我们的要求了。硬盘的原理是改变硬盘上的磁性物质的磁极，这种方式一旦磁化后是永久的，所以硬盘上的数据不会丢失（但是硬盘不能损坏啊，损坏就没了），另外硬盘的成本也不是很高。

内存

用了硬盘后文件有可以永久保存的地方了，但是实际用时发现硬盘的读写速度也太慢了。运算器 计算的很快，但每次计算完的数据写入都要好久。一秒钟 运算器 几千万次计算都完成了，硬盘才写入了几千个计算结果。并且每次 CPU 想要进行计算，从硬盘中都不能及时读取数据。

于是，我们再修改下设计方案。以后把硬盘作为外存。我再准备一块读写比较快的存储器，读写快造价肯定高，那自然不可能造得像硬盘得空间那么大。这个读写快得存储器给我 8G 的空间就好了，实在不行给我 4G 也行。这个比较小的存储器我就叫它内存。这样每次先把 CPU 可能会用到的数据从外存载入到内存，然后 CPU 直接从内存读写数据，这样就快多了。但是我们发现内存有个缺点。内存为了读写速度快，采用电容存储电荷的原理来保存信息，一旦断电，信息全没了（电荷是在不断流失的，内存上的信息需要每隔一小段时间就要重新写入一次）。也没办法，受技术所限只能用它了，那这样吧，以后要长期保存的数据都必须从内存写入到外存。这样虽然多了一道工序，但是执行起来快多了。

寄存器

按照这样的设计，虽然内存存取速度还是跟不上 CPU 的计算速度，但是已经比CPU从外存中取数据快多了。但是我们现在又发现了一个可以优化的点。我们发现 控制器只会告诉运算器从哪取数据，然后做什么样的运算；而运算器只会按照控制器的要求从指定位置读数据然后进行计算，算一次后把计算结果再写回去。额外什么都不会，中间结果自己记不住，必须写回内存。为了速度更快，我是不是可以再造一个存储器？我希望他的读写速度可以跟上 运算器 的计算速度，他可以把运算器马上要计算的数据读进来，然后可以保存 运算器 计算的中间结果，这样不用每次运算器算完都从内存读写了。这个读写速度能跟的上运算器计算速度的存储器肯定很贵，但是我造的再小点就好了，我称它为寄存器。这样的设计下来，果然快多了！

当然还能更快，比如可以在 CPU 和内存间再加 Cache (缓存) 。我觉得通过上面的讲解，大家应该对计算机的组成有一个比较明确的了解了。虽然上面还能有很多可以展开讲的细节。但毕竟我们的主题是操作系统。我觉得上面应该到位了。

一个程序是怎样运行的？

上面应该是把计算机每个部分为什么要这么设计讲清楚了，下面我们串起来，看一看一个程序是如何在计算机上运行的。首先大家要知道像 Java、C、C++、Go 这些程序是不能在计算机上直接运行的。这些高级语言想要执行，需要经过两大步，一是需要把程序编译成汇编语言；二是把汇编语言翻译成机器码，也就是一条条 指令。具体的细节我就不描述了，大家知道这个流程就好，一展开还得去将编译原理。然后 CPU 怎样和存储器配合执行程序分为以下几步。

1. 把代码转成指令我们就可以准备执行了，这个阶段我们需要把指令载入到内存中。真正执行时，控制器从内存中读取一条指令放入寄存器中，这一步叫做提取。
2. 将寄存器中的指令进行识别，识别出要操作的数据以及对数据执行什么操作。这一步叫做解码。
3. 通过解码，运算器按照要求把数据读入并且进行相应的运算。这一步叫做执行。
4. 计算中间结果或者最终结果写入到寄存器。这一步叫做写回。

简单来说， CPU 在执行程序的时候就是在循环往复的进行上面的流程。

下期预告

学习操作系统需要补充的计算机组成原理知识基本上补充完了。许多初学者可能会觉得这和操作系统也没关系呀！但其实操作系统是直接架设在计算机组成之上的，为了更管理计算机更高效的运行。就比如进程调度，其实就是根据进程的特性来指挥 CPU 先算哪些数据再算哪些数据。如果你不知道计算机硬件是如何工作，你也很难真正弄明白操作系统是在做什么。下一篇我给大家好好讲讲操作系统是在做什么！

下期再见！

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