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CPU与操作系统【简单的认识理解】

news 2026/8/9 19:21:48

在日常开发过程中，我们都是正常写完代码去执行即可，不用了解计算机运行的底层逻辑。但是了解计算机运行的底层逻辑，对于我们以后理解撰写代码以及理解错误原理有着重要地位，因此，我们特意写上一篇文章跟大家介绍。

在计算机运行的底层中有两大重要组成部分CPU和操作系统。对此，我们来对这两方面进行介绍。

CPU

CPU的基本属性内容

正常的CPU其实很小一块，但是它的组成和功能是十分繁多的。现在大家应该都有接触三A大作游戏之类的，常常能看到有人问显卡和CPU要求是什么？那么我就以我自己的CPU为例子，给大家介绍一下，一般该看什么指标
可以通过图片看到，我们从任务管理器中查询到的CPU信息一般就是看这三个指标：
1.频率（主频和睿频），一般来说主频可以理解为每秒执行多少条指令
2.核心数量（物理核心和逻辑核心，一般关注逻辑核心即可，这两核心其中又由大核小核构成）
3.缓存（CPU中存储数据的地方，读取和使用数据速度最快）

指令

指令是我们CPU执行任务的基本执行单位。相当于一条指令，我们CPU就会进行一步操作。因此一般任务是由多步指令执行完成的。其中指令是机器语言，一般由操作码和被操作数组成的8bit位的二进制数字（实际上在CPU中可能更大）。
这就是一张基本的指令表，一般8bit的二进制数字前4位对应4位opcode从而解析是执行哪一条指令，后四位对应被操作的是哪个数字，后续我们有举例说明。实际中，CPU都提前被写入了许多的指令，同时配有指令表（一般是汇编语言）方便我们了解这个CPU到底支持执行哪些指令。

CPU的基本工作流程

这一块，是我们如何理解cpu工作过程和指令为什么是执行任务的基本执行单位的重中之重。
我们首先要知道指令一般存储在内存当中，在内存中每条数据都有各自的地址，指令通过地址去访问这些数据。
同时，我们介绍一个执行指令中必不可少的东西--寄存器。寄存器同样也是CPU中存储数据的容器，一般来说寄存器用于存储临时数据，可以进行临时数据的保存以及运算，一般指令操作的数据都是存储在寄存器上的。一般一个CPU上有几十个寄存器，每个一般为8bit（64位的CPU）。
那么我们接下来给出CPU基本工作流程的三大步：
取指令：按照顺序从内存中取出二进制数（一个八位二进制数的前四个代表是什么指令，后面四位一般指代被操作数据的地址或者要操作的某个寄存器编号）
解析指令：将我们取出的8位二进制数一分为二，根据前四位去指令表中对照，看看本条执行的指令是什么即可
执行指令：根据指定的指令要求，对后四位对应的被操作数进行指令要求的操作处理
接下来我们引用例子来对工作流程的三大步进行说明。
第一步执行
可以看到，第一步执行我们将3这个数据存储到了寄存器A中，接下来顺序读取进行下一步执行。
第二步执行
可以看到，第二步执行我们将14这个数据存储到了寄存器B中，接下来顺序读取进行下一步执行。
第三步执行
可以看到，第三步执行我们将A与B中的数据进行相加得到的数据存储到了寄存器A中，值得注意的是：被操作数的那四位代表什么含义，是由执行的指令所决定的
第四步执行
可以看到，第四步执行我们将寄存器A中的数据17取出，存储到了内存的地址13对应的数据，因此地址13对应的数据变成了17
再往后执行，我们就遇到了全0数据。遇到全0数据，CPU认为任务执行结束。
可能大家会觉得，这样一步步进行会不会过于麻烦了，这样不是很影响我们CPU的执行效率吗？
但是一般CPU指令的执行是一个”流水线“式的执行
在某一条的指令执行中，就开始执行下一条指令了，这样保证了CPU执行的效率。

操作系统

操作系统的定位

一般来说，操作系统主要有两大功能：
管理好各种硬件设备
给软件程序提供稳定的运行环境

进程

进程的基本概念

进程：在计算机中运行的程序叫做“进程”，“进程”是操作系统进行资源分配的基本单位。
我们可以从任务管理器中清晰地看到一个个正在执行的“进程”，同时我们可以看到“进程”在运行中时，会占用CPU和内存等硬件资源

操作系统管理进程

既然“进程”在我们的电脑上运行，那么它就会被我们的操作系统管理，操作系统对“进程”的管理，其实就是对程序的运行提供稳定运行环境的体现。操作系统对“进程”的管理一般有两个方面：
描述（可以看作是一个Java中的类，里面有各种的属性来描述这个进程）一般我们把这个类，叫做PCB（进程管理块）。
// 以下代码是 Java 代码的伪码形式，重在说明，⽆法直接运⾏ class PCB { // 进程的唯⼀标识 —— pid; // 进程关联的程序信息，例如哪个程序，加载到内存中的区域等 // 分配给该资源使⽤的各个资源 // 进度调度信息（留待下⾯讲解） }
我们用Java伪代码来表示就差不多是这样的，这样每一个这个类创造出的对象都是一个在计算机中运行的程序。
组织：一般采用双向链表的形式来对多个PCB对象进行组织管理，链表的每一个节点就是一个PCB对象，任务管理器中那些进程的属性就是通过节点中的对象访问出来的属性显示出来的。
那么我们可以看出，管理进程中最重要的就是根据PCB中的核心属性来进行管理，因此我们要深入了解进程到底怎么被管理，以及为什么“进程”被称为资源分配的基本单位，就需要我们对PCB中的核心属性进行了解学习。

进程的核心属性

PCB这个类中有很庞大的各种属性，我们只介绍最核心且普遍的几个核心属性。
1.PID（进程标识符）：一般是整数，由操作系统自行分配，保证同一时刻，不可能有两个一模一样的PID！！！（通过PID我们就能对计算机中数量繁多的进程进行编号，更方便辨识）
2.内存指针
既然“进程”在计算机上运行，那么一定就会产生“数据”和执行“指令”，那么“进程”肯定会占用存储资源，一般每个“进程”在内存中占据不同的位置，互不影响干扰。
对于单个的“进程”，存储的内容又有划分：“数据”，“指令”。此时，内存指针就派上用场了，它指明一块“进程”占用的内存中，哪部分是“数据”，哪部分是“指令”。
实际上内存中还不止“数据”和“指令”，但是不用过多了解，我们就不再赘述。
3.文件描述符表
“进程”在运行过程中肯定会涉及到“数据”，其中一部分来自临时产生，另一部分来自本地文件中的。由此，可以看出一些“进程”在运行中会对文件进行读写，一般文件都是保存在本地硬盘上的。那么“进程”想要读取文件中数据，就要先进行打开文件操作，打开文件时，就会产生一个关于文件的“结构体”，PCB中有一个属性叫做“文件描述符表”，这个表相当于是一个数组，这个数组的元素就是文件打开产生的“结构体”（因为我们一个程序可能对多个文件都有读取），这样每一个“结构体”又包含了关于文件的详细信息，这些信息不仅告诉我们文件存储的数据，还告诉我们文件存储在硬盘的位置。
上述三个核心属性，就解释了为什么“进程”是资源分配的基本单位，一般是指“进程”对硬件资源的占用和存储资源的占用。且每个进程都会占用一部分。
管理调度多个“进程”
但是一台计算机上又不可能只有一个“进程”，那么计算机面对大量的“进程”是怎么进行调度和执行的呢？一般我们的CPU是使用下面两种方法结合的方式进行管理调度的
并行：两个CPU核心，执行不同的“进程”
并发：一个CPU，“分时调用”执行不同的“进程”（一般我们可以理解成时间管理大师），因为CPU执行频率很快，所以一般会被误认为，CPU是同时执行这些程序
对于多个“进程”的调度运行，一般与其他几个核心属性有关，这里我们通过一个例子，来辅助讲解这几个核心属性的含义是什么。
这是我们例子的背景：
4.进程状态
一般每个“进程”只有两个状态：
就绪
阻塞
简单用例子来说就是
“就绪”：“进程”随时可以开始执行（例子：在一周内，你有学科A和B的课本和习题，随时可以开始学习）
“阻塞”：“进程”无法调度执行（例子：学科C根本就没有课本，那你无论如何是无法开始学习的，就是阻塞状态）
其实我们在学习Java中也遇到过“阻塞”的情况：
这样的代码中，只要你开始执行并且没有进行输入操作，控制台就会一直被“阻塞”无法执行后面的代码。
5.进程的优先级
我们还是可以使用例子来说明：
就像例子展现的一样，我们肯定要先解决迫在眉睫的学科C考试啊！！！那么根据不同“进程”的优先级，CPU会优先分配“进程”资源和资源的多少。优先级高，更重要的“进程”肯定就占有更多的CPU资源。
6.进程的上下文
一般来说，CPU执行一个”进程“执行到中间部分后，离开了CPU的调用，这时会记录下此时的信息，后续CPU调用就依此继续执行（类似于游戏的存档点）。我们用例子举例来帮助大家理解：
那么上下文是如何保存记录的呢？CPU中有许多寄存器，有记录”进程“执行到哪的；有记录一个”指令“执行到哪的；还有产生的数据。其中一个“进程”执行到一定位置中断时，寄存器就会记录下这部分信息，写入PCB中作为“上下文”作为属性保存在PCB中，下次执行时，直接读取PCB中“上下文”即可。
7.进程的记账信息
“记账信息”更类似于“统计信息”，由于“优先级”机制的存在，某个优先级很低的“进程”执行就会很少，“统计信息”会记录每个“进程”在CPU中执行占用的资源和执行时间。这样CPU会对执行少的“进程”多划分一点资源给它执行（毕竟执行少可能不完成，还是得让它完成才行）。
这四个属性，就是“进程”调度所使用到的，有关联的。
总结：
我们PCB中一般有这些核心属性
PID
内存指针
文件标识符表
状态
优先级
上下文
记账信息
其中后面四者跟多个“进程”的调度执行有关。这些就是操作系统给应用程序提供稳定的运行环境的基础！！！
PS：操作系统对每个“进程”也划分了独立的内存地址空间，每个“进程”只能访问自己的内存数据，无法访问别的进程内容！！！