1计算机是如何工作的

一个cpu里面有海量的运算单元，每个运算单元非常小，运算单元越多cpu算的越快

运算单元不能无限小，所以目前的cpu的频率已很难提升，一般是0.1GHz
一个核心算力到达瓶颈，就多搞几个核心，就有多核

超线程技术让一个核心当两个使用，即8个核心相当于有16个核心

2022年后又出现大小核心，大核心一个顶两，小核心一个顶一个

2025年，intel将超线程技术废了

对于我们只关心逻辑核心数和频率

模电数电

即如何构造一个基本电子元件，即cpu

指令（instruction）

cpu执行任务的基本单位
计算机导论中，，提到，编程语言分为三类，1， 机器语言（001二进制的，也就是指令），2， 汇编语言，3，高级语言
cpu在被设计生产的时候，设计者设计好cpu上要能支持哪些指令了，提供手册告诉使用cpu的人，cpu支持哪些指令，
将一些特定的001序列变成特定的英文单词（之后），就是汇编语言
我们写的C语言/C++就是高级语言，被编译器转成汇编语言，在转成机器语言（指令）
java转成.class字节码，通过jvm把字节码转成机器语言

在设计cpu的厂商的指令有好几套

其中x86/x86_64就是一套规则，intel和amd搞的cpu都是这一套规则，即指令相同
ARM是另一套规则，苹果，高通，联发科就是搞这一套
还有RISC V国产芯片，开源的
寄存器，同样是cpu内部存储数据的硬件设施，其空间很小，主要进行临时数据的计算和保存
一般就是几十个寄存器，每个寄存器就是8个字节左右（64位cpu）,总的空间是上百个字节，不到1kb

cpu的基本工作流程

指令保存在内存
c->exe(硬盘，文件)-》双击exe（操作系统就会把exe加载到内存中）
地址不需要保存，而是通过硬件的电路结构计算出来的
c语言中使用专门的变量保存地址，——》指针
java中保存地址变量——》引用（低配指针）

cpu执行指令的步骤

以上是程序运行的基本盘，需要理解

操作系统

管理好各种硬件设备
给软件提供稳定的运行环境

操作系统重要概念，进程

进程（process），也叫任务(task),就是计算机运行起来的应用程序
进程和可执行文件
以exe结尾的是可执行文件，是在硬盘上静态的内容，当双击该文件，就加载到内存，创建出进程，执行内部逻辑，所以进程的运行，需要消耗一定的硬件资源
（一个可执行文件可能会对应多个进程，只不过有些程序在逻辑中限制多开）
进程也是操作系统中的资源分配的基本单位

进程的管理（操作系统管理进程）

PCB的核心属性（非常大的一个结构体）

进程调度

进程有上百个但是CPU核心只有16个，如何利用有限的核心让多个进程“同时执行”
CPU通过并行（两个CPU核心分别执行不同进程的指令）和并发（一个核心通过分时复用实现，宏观来说就是同时的）两个方式解决
这是操作系统负责的调度，对于我们统称为并发
4. 进程状态，就绪和阻塞
就绪就是“随叫随到”
阻塞就是无法参与CPU的调度执行，比如scanner,他必须等你输入什么才继续运行下一步
5. 优先级
各个进程的优先级不同
比如游戏进程，需要实时操作，需要更多的CPU资源
比如QQ进程，只用来发信息，可以少CPU资源
比如特殊的，智能驾车中的刹车，优先级一定是最高的
6. 进程的上下文
一个进程调度到CPU上执行了，离开了CPU,过段时间还会回到CPU,就是会存档信息
上下文具体指的是寄存器的值
进程在CPU上执行的时候，寄存器的值发生改变，当进程离开CPU时，寄存器里的值就拷贝保存到内存(PCB的结构体）中，就是存档
之后进程回到CPU，就不会重头开始，将PCB保存的寄存器的值重写到CPU的寄存器中即可
就是读档
7. 进程的记账信息
统计机制，统计每个进程在CPU运行多久，通过记账系统识别到，有些进程会因为优先级低而分配的CPU资源少，而灵活分配多一点

由ai补充

你分享的内容非常棒，系统性地梳理了从CPU硬件到操作系统进程管理的核心知识。我来帮你整理、补充和串联一下，形成一个更清晰完整的知识框架。

🧩 知识体系梳理

1. CPU 的进化之路：从快到多，从多到精

你总结的 CPU 发展路径非常准确：

• 主频提升（垂直扩展）：通过缩小晶体管尺寸，提高单个核心的运算速度（频率）。但受物理极限（量子隧穿效应、散热等）制约，主频在约 4-5 GHz 后难以大幅提升。
• 核心增加（水平扩展）：主频到顶，就增加核心数量，实现并行计算。这是过去十几年的主流。
• 超线程技术：让一个物理核心“模拟”出两个逻辑核心，提高硬件利用率（让闲置的运算单元也工作起来）。但Intel在2025年放弃，原因可能是能效比不佳、调度复杂，或为新的架构（如大小核）让路。
• 大小核混合架构：这是当前主流方向。
  • 大核：性能强，但功耗高。处理复杂、对延迟敏感的任务（如游戏、视频编码）。
  • 小核：性能一般，但能效比极高。处理后台、轻量级任务（如听歌、下载）。
  • 目标：在性能和续航间取得最佳平衡。

核心结论：对于普通用户，逻辑核心数和频率确实是衡量CPU性能最直观的指标，但架构（决定同频性能）和缓存也至关重要。

2. 指令集：CPU的“母语”与“方言”

这部分是理解软件如何驱动硬件的关键。

• 指令：CPU能听懂并执行的最基本命令，就是一串特定的二进制序列（如 00001110）。
• 指令集架构：CPU设计时定下的一套“词汇表”和“语法规则”。
  • x86/x86-64：复杂指令集。统治PC和服务器市场（Intel, AMD）。
  • ARM：精简指令集。统治手机、平板和物联网市场（苹果、高通）。因其高能效，现已进军PC和服务器。
  • RISC-V：开源的精简指令集。新兴力量，国产芯片的重要方向。
• 语言的翻译过程：

• graph LR
  A[高级语言 C/Java/Python] –> B[编译器/解释器]
  B –> C[汇编语言/字节码]
  C –> D[机器指令 0101…]
  D –> E[CPU执行]

  • 寄存器：CPU内部极快但容量极小的临时存储单元。所有计算都发生在寄存器之间或寄存器与内存之间。

3. CPU执行程序的微观视角

你模拟的“读取-解析-执行”循环（取指 -> 译码 -> 执行）是CPU工作的核心。补充几点：

4. 操作系统与进程：资源的管家与租客

操作系统是硬件和软件之间的“中间商”，核心职责是管理（硬件资源）和服务（上层应用）。

• 进程：程序的一次动态执行过程。是关键抽象。
  • 程序（exe文件）：躺在硬盘里的“菜谱”（静态）。
  • 进程：厨师（CPU）按照菜谱做饭的整个过程（动态），会占用厨房（内存、CPU等资源）。
• PCB：进程控制块。操作系统的“户口本”，用C语言结构体描述进程的一切。
  • PID：进程身份证号。唯一标识。
  • 内存指针：指向该进程在内存中的“地盘”（代码、数据在哪）。
  • 文件描述符表：进程打开了哪些文件的“台账”。文件操作（open, read, write）都通过这个表里的“索引”进行。
  • 进程调度相关属性（核心中的核心）：
    • 状态：就绪（等CPU）、运行（占CPU）、阻塞（等IO，如输入、读盘）。
    • 优先级：决定谁更容易被CPU“临幸”。
    • 上下文：进程被换下CPU时的“存档”（所有寄存器值）。换回来时“读档”，就能无缝继续。这是实现并发（宏观同时，微观交替）的魔法。
    • 记账信息：统计各进程已用了多少CPU时间，用于公平调度和防止“饿死”。

🔗 知识点串联：从按键到显示

现在，我们可以把你讲的所有知识串联起来，看一个完整的例子：

你在记事本里敲了字母‘A’并保存。

📊 核心概念关系图

graph TD
subgraph “硬件层”
CPU[CPU核心/寄存器] –> MEM[内存]
MEM –> DISK[硬盘/SSD]
IN[输入设备] –> CPU
CPU –> OUT[输出设备]
end

subgraph “操作系统层”
OS[操作系统内核]
OS –> Scheduler[进程调度器]
OS –> MM[内存管理器]
OS –> FS[文件系统]

Scheduler –> PCB1[PCB 进程A]
Scheduler –> PCB2[PCB 进程B]
Scheduler –> PCB3[PCB 进程C]

PCB1 –> |内存指针| MEM
PCB2 –> |文件描述符| FS
PCB3 –> |上下文/状态| Scheduler
end

subgraph “软件层”
APP1[应用程序A 进程]
APP2[应用程序B 进程]
APP1 –> OS
APP2 –> OS
end

APP1 -.-> |对应| PCB1
APP2 -.-> |对应| PCB2

总结：计算机是一个高度协同的精巧系统。CPU​ 是忠实的执行者，用指令说话。操作系统​ 是资源的大管家，用 PCB​ 管理每个租客（进程）。而 进程，就是活起来的程序，在操作系统的调度下，使用CPU、内存等硬件资源，完成我们的任务。

你的笔记已经抓住了精髓，如果能用这样的框架把零散的知识点组织起来，理解会非常深刻和牢固。很棒！

重点

好的，我帮你挑出最核心、最关键、必须掌握的内容。这些是理解计算机如何工作的“骨架”。

🎯 核心要点提炼

1. CPU工作的核心：执行指令

• 指令是CPU能理解并执行的最基本命令，就是二进制序列（如00001110）。
• CPU工作就是不断循环：取指令 → 解码 → 执行。
• 指令集是CPU的“母语”，不同CPU家族（x86、ARM、RISC-V）说不同的“方言”。

2. 程序的运行本质：从静态文件到动态进程

• 可执行文件（如.exe）：躺在硬盘里的“菜谱”（静态）。
• 进程：菜谱被加载到内存，CPU按步骤执行的过程（动态）。
• 一个程序可以对应多个进程（如开多个浏览器窗口）。

3. 操作系统的核心管理对象：进程

• 操作系统用PCB（进程控制块，一个结构体）记录每个进程的所有信息。
• PCB的关键属性：
  • PID：进程的唯一身份证
  • 内存指针：进程的数据和代码在内存中的位置
  • 文件描述符表：进程打开了哪些文件
  • 状态：就绪、运行、阻塞（决定是否能被CPU执行）
  • 上下文：进程被换下CPU时的“存档”（寄存器值），是实现并发的关键

4. 如何用少量CPU核心运行大量程序：并发

• 并行：多个CPU核心同时执行不同进程。
• 并发：单个CPU核心通过快速切换，让多个进程“看起来同时”运行。
• 操作系统通过进程调度（看状态、优先级、记账信息）决定哪个进程上CPU。

5. 性能的关键：CPU架构演进

• 主频提升到顶 → 增加核心数量​ → 使用大小核混合架构。
• 对用户来说，关注逻辑核心数和频率即可，但架构决定同频性能。

📌 一句话总结核心逻辑

你写的程序（高级语言）被编译成机器指令 → 运行时成为进程 → 操作系统通过PCB管理进程 → 进程在CPU上并发执行指令 → 完成计算任务。

🔍 必懂的三个关键概念

如果你时间有限，先彻底理解“进程”和“并发”这两个概念，就掌握了计算机工作原理的60%以上。