计算机操作系统底层相关知识

1.冯诺依曼模型
内存：我们的程序和数据都是存储在内存，存储的区域是线性的。数据存储的单位是一个二进制位，即0或1。最小的存储单位是字节，1字节等于8位。内存的地址是从0开始编号的，然后自增排列，最后一个地址为内存总字节数-1，这种结构好似我们程序里的数组，所以内存的读写任何一个数据的速度都是一样的。
中央处理器：也就是我们常说的CPU，32位和64位CPU最主要的区别在于一次能计算多少字节数据：32位CPU一次可以计算4个字节；64位CPU一次可以计算8个字节；这里32位和64位，通常称为CPU的位宽。之所以CPU要这样设计，是为了能计算更大的数值，如果是8位的CPU，那么一次只能计算1个字节0-255范围内的数值，这样就无法一次完成计算10000*500，于是为了能一次计算最大的运算，CPU支持多个byte一起计算，所以CPU位宽越大，可计算的数值就越大，32位CPU能计算最大整数是4294967295.
CPU还有一些内部组件，常见的寄存器，控制单元和逻辑运算单元等。其中，控制单元负责控制CPU工作，逻辑运算负责计算，而寄存器可以分为多种类，每种寄存器的功能又不尽相同。CPU中的寄存器主要作用是存储计算时的数据，你可能好奇为什么有了内存还需要寄存器？原因很简单，因为内存离CPU太远了，而寄存器就在CPU里，还紧挨着控制单元和逻辑运算单元，自然计算会很快。
常见起存器种类：
通用寄存器，用来存放需要进行运算的数据，比如需要进行加和运算的两个数据。
程序计数器，用来存储CPU要执行下一条指令【所在的内存地址】，注意不是存储了下一条要执行的指令，此时指令还在内存中，程序计数器只是存储了下一条指令的地址。
指令寄存器，用来存放程序计数器指向的指令，也就是指令本身，指令被执行完成之前，指令都存储在这里。
总线：总线是用于CPU和内存以及其他设备之间的通信，总线可分为3种：
地址总线：用于指定CPU将要操作的内存地址；
数据总线，用于读写内存的数据；
控制总线：用于发送和接收信号，比如中断，设备复位等信号，CPU接收到信号后自然进行响应，这是也需要控制总线；
当CPU要读写内存数据的时候，一般需要通过两个总线：
首先要通过【地址总线】来指定内存的地址；
再通过【数据总线】来传输数据；
输入、输出设备：输入设备向计算机输入数据，计算机经过计算之后，把数据输出给输出设备。期间，如果输入设备是键盘，按下按键时是需要和CPU进行交互的，这时就需要用到控制总线了。
2.线路位宽与CPU位宽
数据是如何通过线路传输的呢？其实是通过操作电压，低电压表示0，高电压则表示1.如果构造了高低高这样的信号，其实就是101二进制数据，十进制则表示5，如果只有一条线路，就意味着每次只能传递1bit的数据，即0或1，那么传输101这个数据，就需要3次才能传输完成，这样的效率非常低。这样一位一位传输的方式，称为串行，下一个bit必须等待上一个bit传输完成才能进行传输。当然，想一次多传一些数据，增加线路即可，这时数据就可以并行传输。为了避免低效率的串行传输方式，线路的位宽最好一次就能访问到所有的内存地址。CPU要想操作的内存地址就需要地址总线，如果地址总线只有一条，那每次只能表示【0或1】这两种情况，所以CPU一次只能操作2个内存地址，如果想要CPU操作4G的内存，那么就需要32条地址总线，因为2^32=4G。
CPU的位宽最好不要小于线路位宽，比如32位CPU控制40位宽的地址总线和数据总线的话，工作起来就会非常复杂且麻烦，所以32位的CPU最好和32位宽的线路搭配，因为32位CPU一次最多只能操作32位宽的地址总线和数据总线。
如果用32位CPU去加和两个64位大小的数字，就需要把这2个64位的数字分成两个低位32位数字和2个高位32位数字来计算，先加个两个低位的32位数字，算出进位，然后加和两个高位的32位数字，最后再加上进位，就能算出结果了，可以发现32位CPU并不能一次性计算出加和两个64位数字的结果。
对于64位CPU就可以一次性算出加和两个64位数字的结果，因为64位CPU可以一次读入64位的数字，并且64位CPU内部的逻辑运算单元也支持64位数字的计算。
但是并不代表64位CPU性能比32位CPU高很多，很少应用需要算超过32位的数字，所以如果计算的数额不超过32位数字的情况下，32位和64位CPU之间没有什么区别的，只有当计算超过32位数字的情况下，64位的优势才能体现出来。
另外，32位CPU最大只能操作4GB内存，就算你装了8GB内存条，也没用。而64位CPU寻址范围则很大，理论最大的寻址空间为2^64.
3.程序执行的基本过程
程序其实是一条一条的指令，所以程序的运行过程就是把每一条指令一步一步的执行起来，负责执行指令的就是CPU。
CPU的执行程序的过程如下：
·第一步，CPU读取程序计数器的值，这个值是指令的内存地址，然后CPU的控制单元操作地址总线指定需要访问的内存地址，接着通知内存设备准备数据，数据准备好后通过数据总线将指令传给CPU，CPU收到内存传来的数据后，将这个指令数据存入到指令寄存器。
·第二步，CPU分析指令寄存器中的指令，确定指令的；类型和参数，如果是计算类型的指令，就把指令交给逻辑运算单元运算；如果是存储类型的指令，则交由控制单元执行；
·第三步，CPU执行完指令后，程序计数器的值自增，表示指向下一条指令。这个自增的大小，由CPU的位宽决定，比如32位的CPU，指令是4个字节，需要4个内存地址存放，因此程序计数器的值会自增4；
总结就是，一个程序执行的时候，CPU会根据程序计数器里的内存地址，从内存里面把需要的指令读取到指令寄存器里面执行，然后根据指令长度自增，开始顺序读取下一条指令。CPU从程序计数器读取指令，到执行，再到下一条指令，这个过程会不断循环，知道程序执行结束，这个不断循环的过程被称为CPU的指令周期。
4.a=1+2执行具体过程
CPU是不认识a=1+2这个字符串，这些字符串只是方便我们程序员认识，要想这段程序能跑起来，还需要把整个程序翻译成汇编语言的程序，这个过程称为编译成汇编代码。针对汇编代码，我们还需要用汇编语言翻译成机器码，这些机器码由0和1组成的机器语言，这一条条机器码，就是一条条的计算机指令，这个才是CPU能够真正认识的东西。
程序编译过程中，编译器通过分析代码，发现1和2是数据，于是程序运行时，内存会有个专门的区域来存放这些数据，这个区域就是数据段。
·数据1被存放到0x100位置；
·数据2被存放到0x104位置；
注意，数据和指令是分开区域存放的，存放指令区域的地方称为正文段。

编译器会把a=1+2翻译成4条指令，存放到正文段中。如图，这4条指令被存放到了0x200-0x20c的区域中:
·0x200的内容是load指令将0x100地址中的数据1装入到寄存器R0；
·0x204的内容是load指令将0x104地址中的数据2装入到寄存器R1；
·0x208的内容是add指令将寄存器R0和R1的数据相加，并把结果存放到寄存器R2
·0x20c的内容是store指令将寄存器R2中的数据存回数据段中的0x108地址中，这个地址也就是变量a内存中的地址；
编译完成后，具体执行程序的时候，程序计数器会被设置为0x200地址，然后依次执行这4条指令。
上面的例子中，由于是在32位CPU执行的，因此一条指令是占32位大小，所以你会发现每条指令间隔4个字节。而数据的大小是根据你在程序中的指定的变量类型，比如int类型的数据则占4个字节，char类型的数据则占一个字节。
指令：
上面的例子中，图中指令的内容我写的是简易的汇编代码，目的是为了方便理解指令的具体内容，事实上指令的内容是一串二进制数字的机器码，每条指令都有对应的机器码，CPU通过解析机器码来知道指令的内容。不同的CPU有不同的指令集，也就是对应着不同的汇编语言和不同的机器码，接下来选用最简单的MIPS指集，来看看机器码是如何生成的，这样也能明白二进制的机器码的具体含义。MIPS的指令是一个32位的整数，高6位代表着操作码，表示这条指令是一条什么样的指令，剩下的26位不同指令类型所表示的内容也就不相同，主要有三种类型R，I和J。

三种类型的含义：
·R指令，用在算数和逻辑操作，里面由读取和写入数据的寄存器地址。如果是逻辑位移操作，后面还有位移的位移量，而最后的功能码则是在前面的操作码不够的时候，扩展操作码来表示对应的具体指令的；
·I指令，用在数据传输，条件分支等。这个类型的指令，就没有了位移量和操作码，也没有了第三个寄存器，而是把这三部分直接合并成了一个地址值或一个常数；
·J指令，用在跳转，高6位之外的26位都是一个跳转后的地址；
接下来，我们把前面例子的这条指令：add指令寄存器R0和R1的数据相加，并把结果放入R3，翻译成机器码。

加和运算add指令是属于R指令类型：
·add对应的MIPS指令里操作码是000000，以及最末尾的功能码是100000，这些数值都是固定的，查一下MIPS指令集的手册就能知道的；
·rs代表第一个寄存器R0的编号，即00000；
·rt代表第二个寄存器R1的编号，即00001；
·rd代表目标的临时寄存器R2的编号，即00010；
·因为不是位移操作，所以位移量是00000
把上面这些数字拼在一起就是一条32位的MIPS加法指令了，那么用16进制表示机器码则是0x00011020。编译器在编译程序的时候，会构造指令，这个过程叫做指令的编码。CPU的执行程序的时候，就会解析指令，这个过程叫做指令的解码。现代多数CPU都使用来流水线的方式来执行指令，所谓的流水线就是把一个任务拆分成多个小任务，于是一条指令通常分为4个阶段，称为4级流水线：

四个阶段的含义：
·CPU通过程序计数器读取对应的内存地址的指令，这个部分称为Fetch（取得指令）
·CPU对指令进行解码，这个部分称为Decode（指令译码）
·CPU执行指令，这个部分称为Execution（执行指令）
·CPU将计算结果存回寄存器或者将寄存器的值存入内存，这个部分称为Store（数据回写）
上面这四个阶段，我们称之为指令周期，CPU的工作就是一个周期接着一个周期，周而复始。事实上，不同的阶段是由计算机中的不同组件完成的：

·取指令的阶段，我们的指令是存放在存储器里的，实际上，通过程序计数器和指令寄存器取出指令的过程，是由控制器操作的；
·指令的译码过程，也是由控制器进行的；
·指令执行的过程，无论是进行算数操作，逻辑操作，还是进行数据传输，条件分支操作，都是由算数逻辑单元操作的，也就是由运算器处理的。但是如果是一个简单的无条件地址跳转，则是直接在控制器里面完成的，不需要用到运算器。
指令的类型：
·数据传输类型的指令，比如store/load是寄存器与内存之间数据传输的指令，mov是将一个内存地址的数据移动到另一个内存地址的指令；
·运算类型的指令，比如加减乘除，位运算，比较大小等等，它们最多只能处理两个寄存器中的数据；
·跳转类型的指令，通过修改程序计数器的值来达到跳转执行指令的过程，比如编程中常见的if-else，switch-case，函数调用等。
·信号类型的指令，比如发生中断的指令trap；
·闲置类型的指令，比如指令nop，执行后cpu会空转一个周期；
指令的执行速度：
CPU的硬件参数都会有GHz这个参数，比如1GHz的CPU，指的是时钟频率是1G，代表着1秒会产生1G次数的脉冲信号，每一次脉冲信号高低电平的转换就是一个周期，称为时钟周期。
对于CPU来说，在一个时钟周期内，CPU仅能完成一个最基本的动作，时钟频率越高，时钟周期越短，工作速度也就越快。
一个周期一定可以执行完一条指令嘛？大多数是不一定的，大多数指令不能再一个时钟周期完成，通常需要若干个时钟周期。不同的指令需要的时钟周期是不同的，加法和乘法都对应着一条CPU指令，但是乘法需要的时钟周期就要比加法多。
5.如何让程序跑的更快？
程序执行的时候，耗费的CPU时间少就说明程序是快的，对于程序的CPU执行时间，我们可以拆解成CPU时钟周期数和时钟周期时间的乘积。

时钟周期时间就是我们前面提及的CPU主频，主频越高说明CPU的工作速度就越快，比如电脑的CPU是2.4GHz四核Intel Core i5，这里的2.4GHz就是电脑的主频，时钟周期时间就是1/2.4G。
要想CPU跑的更快自然缩短时钟周期时间，也就是提升CPU主频，但是今非昔比，摩尔定律早已失效，当今的CPU主频已经很难做到翻倍的效果了。另外，换一个更好的CPU是软件工程师无法控制的事情，我们应该把目光放到另一个乘法因子----CPU时钟周期数，如果能减少所需的CPU时钟周期数量，一样也是能提升程序的性能的。
对于CPU时钟周期数我们可以进一步拆解成：（指令数x每条指令的平均时钟周期数），于是程序的CPU执行时间的公式改变：

所以要想程序跑的快，优化这三个因子：
· 指令数，表示执行程序所需要多少条指令，以及那些指令。这个层面是基本靠编译器来优化，毕竟同样的代码，在不同的编译器，编译出来的计算机指令会有各种不同的表示方式。
·每条指令的平均时钟周期数，表示一条指令需要多少个时钟周期数，现代大多数CPU通过流水线技术，让一条指令需要的CPU时钟周期数尽可能的少；
·时钟周期时间，表示计算机主频，取决于计算机硬件。有的CPU支持超频技术，打开超频意味着把CPU内部的时钟给调快了，于是CPU工作速度就变快了，但是也是有代价的，CPU跑的越快，散热的压力就会越大，CPU会很容易崩溃。

本文参考：https://mp.weixin.qq.com/s/TxFzIgNLettiEO4JKWgQpQ