菜鸟IT技术杂谈（一）——从多任务系统原理说起

怎么说我最近的状态呢？

不是特别好，但是也还是可以，老板也对自己不错。过得还算开心。

这个系列的博文，算是自己自己这两三年来学到的东西的理解吧。

不会对大家产生立竿见影的效果，只是拿自己学习到的东西做一个系统性的原理上的讲解，纯粹起个抛砖引玉的作用吧。

博文我都不会打草稿的，说到哪里算哪里吧。

首先要先明白，CPU计算是有一个最小单位时间的周期的，这是由硬件决定的。

主要表现出来就是有个多少GHZ，像卡吧基佬最喜欢的E3，I7，已经达到了3~4GHZ。

那这个时间周期是由什么决定的呢，也就是说这个抽插速度怎么决定下来的呢？判断依据就是来自晶振。

晶体振荡器是指从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片）。下图就是和IC封装在一块的晶振。

晶振的原理，在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形。反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振，它与LC回路的谐振现象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。

然后CPU就有这么一个依据，知道自己应该什么时候跑了，

低端CPU的运行速度由晶振直接决定。高端CPU的运行速度由晶振倍频后产生时钟决定，倍频N倍后可到GHz，当然你要问I7的晶振是多少MHZ，我答不上来- -！

有人说那我不断倍频，岂不是能跑得很快？你这不就是超频吗？淫特二有个睿频，但是你要考虑硬件工艺啊，CPU里的二极管开关速度是有限制的，所以你就不能一直超频了。

如果学过量子力学，就明白量子力学有个说法，世界不是无限可分的，有个最小的度量，那么CPU的运算也不是连续，就算你一直按住一个按键，你触发的电信号，也是断续的。

我说那么多，和软件上的系统有什么关系呢？

当然是有意义的，现代的多任务操作系统就是利用这样原理来工作的。

现在的多任务操作系统都遵循一个原则，就是划分出时间片，就是把CPU的工作时间划分出来。

举个例子，一秒钟内CPU可以工作1000万个周期，那么划为100个，那么10ms，就能算10万个周期。然后再把这个量化好的时间片分配下去，A运行10ms，B运行10ms。

就人的感知来说，10ms交替运行，我完全感觉不出来有啥停顿的。当然这只是个例子，现实里划分为多少ms这完全可以由系统决定。

这么一个时间片，有个很有意思的名字时钟滴答（clock tick），

Linux内核用宏HZ来表示时钟滴答的频率，而且在不同的平台上HZ有不同的定义值。对于ALPHA和IA62平台HZ的值是1024，对于SPARC、MIPS、ARM和i386等平台HZ的值都是100。该宏在i386平台上的定义如下（include/asm- i386/param.h）： 
#ifndef HZ 
#define HZ 100 
#endif 
根据HZ的值，我们也可以知道一次时钟滴答的具体时间间隔应该是（1000ms／HZ）＝10ms。 

好了，到这里不是真的笨蛋再想想也应该明白了，操作系统所谓的并行操作原来特么的大部分都是在骗我啊，你CPU不都是串行操作吗！！（当然人类也不是那么笨，也有像FPGA这种真并行的东西，你们看到挖比特币的那种矿卡原理上就是靠这种并行，不过那种用途毕竟还是有局限的）

大部分原理的书籍到这里，他们就卖关子不说了！！！你特么在逗我吗！！我就是想知道多任务是怎么切换的！！

当然我不会这么丧心病狂，这里我还是会介绍一下的，大家如果稍微接触过CPU的知识或者汇编，就应该知道CPU上面有一个叫做寄存器的东西。

这些寄存器很小，但是它很快很快，而且每一种架构的CPU都不一样，比如ARM，MIPS，X86，PowerPC的寄存器都不一样。

还是靠举例子来说明

32位x86架构的CPU所含有的寄存器有：
4个数据寄存器(EAX、EBX、ECX和EDX)
2个变址和指针寄存器(ESI和EDI) 2个指针寄存器(ESP和EBP)
6个段寄存器(ES、CS、SS、DS、FS和GS)
1个指令指针寄存器(EIP) 1个标志寄存器(EFlags)

想象一下你正在计算一道数学题，但是你只能用十根手指和一张纸。

那么手指就是你的寄存器，比如你要算A=1，B=1，C=A+B，你伸出两个手指，在纸上写下C=2。

这个纸就是CPU的其他的缓存，比如常说的一级二级三级缓存，实在存不下，还有内存硬盘，这些内存的管理，现代CPU往往有一个硬件去做映射，叫做MMU，就是Memory Management Unit的缩写

那么操作系统是怎么样让你可以看起来同时算两条题的呢？

采取的是一个笨方法

一、你算题1的时候，每算一个步骤都在纸上写计算结果。这样你实际要关心的只是你的手指的状态是什么样的。

二、然后你要中途算题2了，那你在纸上把你手指状态画下来，然后重新保持手指张开。

三、你再算题2，算到半路，你要回去算题1，就把现在手指状态画下来，重新照之前题1的画下来的手指状态摆好，你接着题1的计算结果往下算。

四、重复以上过程，直到算完。

写惯了程序的我们可以要问了，CPU怎么知道我执行到了程序第几行？比如我写个循环

for(int i=0,i<10;i++){

      printf(%d,i);

}

怎么知道i到多少了？

你再仔细想想，我刚才说了我每算一步，就会在纸上写结果，就相当于CPU在缓存里写了i是多少，其他的变量也是一样的，所以无论你多少变量，只要缓存能存下，就没有问题。

而你的手指，也就是寄存器摆回原来的位置，就和你算到半路的现场一模一样了。

这种在操作系统里，叫做上下文切换。

实际的原理，就是把当时的寄存器状态存起来，然后在换回原来进程的时候，又把这些寄存器状态还原，这种叫做还原现场。

你看，其实多任务的原理就是这样。至于系统移植到不同的CPU，很大一部分工作就是要把寄存器部分，也就是涉及到汇编部分，重新按平台写一次，然后再用不同的平台的C编译器翻译一次，当然说是这么说，里面有很多细节会把人搞死。

多任务切换的原理就是这样，分配给某个进程运行的时间到了，就切换出来给别的进程使用，当然，也可以通过很多时候可以用中断去打断。

中断，其实就是发出一个信号给CPU，至于CPU要不要响应这个中断，那得看这个中断重要不重要了。比如CPU某个管脚电压高了，这里定义为键盘被敲下了，CPU不忙的话，可以响应一下，忙的话，键盘的这个信息就先等着，CPU忙完再去干。

当然操作系统还能分为实时系统，软实时和固实时系统，其实就是说这个系统能不能在规定的时间内响应，这里面并没有说很明显的分割，比如飞机这种，一定要立刻响应的，肯定是要实时系统，但是像你听个MP3，打开菜单慢点，你最多就不爽而已，可以叫做固实时系统，软实时就宽松了，比如mac os这种做个界面好像很流畅，但是跑起来半天没反应的。

不知不觉，写这文章花了一个多小时，一个多小时能搬多少砖啊！！算了，我好像也挺乐在其中的。

不知道下篇文章要什么时候，下次就说说进程线程这些吧