【计算机】CPU，芯片以及操作系统概述

1.CPU

什么是CPU?

CPU（Central Processing Unit）是计算机系统的运算和控制核心，是信息处理、程序运行的最终执行单元，相当于系统的“大脑”。

CPU的工作流程？

CPU 的工作流程分为以下 5 个阶段：取指令、指令译码、执行指令、访存读取数据和结果写回。

摩尔定律：

CPU这类的芯片，每隔18个月，继承程度就能提高一倍，计算机效率会提高一倍，同时成本下降一半。

什么是芯片？

芯片是一种集成电路，由早期的晶体管.....一步一步发展而来。

CPU和芯片的区别与联系？

CPU和芯片是计算机硬件中的两个不同概念。CPU是中央处理器，负责执行指令和处理数据，是计算机中最重要的组件之一。而芯片是一种集成电路，可以包含多个CPU、内存和其他电路，用于控制和处理电子设备中的信息。虽然CPU是芯片的一种，但不是所有芯片都包含CPU。CPU的功能包括顺序控制、操作控制、时间控制、数据加工，解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。

2.操作系统

主要任务：管理计算机系统中的软硬件资源，本质上也是软件。

由图可知，操作系统对下是管理各种硬件设备，对上是给应用程序提供稳定的运行程序，例如提供各种API。

内核：

一个操作系统 = 内核 + 配套的应用程序。

“内核”指的是一个提供硬件抽象层、磁盘及文件系统控制、多任务等功能的系统软件。内核是操作系统最基本的部分。它是为众多应用程序提供对计算机硬件的安全访问的一部分软件，这种访问是有限的，并且内核决定一个程序在什么时候对某部分硬件操作多长时间。直接对硬件操作是非常复杂的，所以内核通常提供一种硬件抽象的方法来完成这些操作。硬件抽象隐藏了复杂性，为应用软件和硬件提供了一套简洁，统一的接口，使程序设计更为简单。简单来说，内核就是为操作系系统提供驱动、内存管理、网络、IO等功能的软件代码。

3.进程 (process)

什么是进程？

       进程是资源分配的基本单位，进程想要执行，就得消耗一定的资源，进程也叫任务。

进程的三种基本状态：

（1）就绪状态

（2）执行转态

（3）阻塞状态

进程的创建状态：

        进程由创建而产生，创建进程是一个很复杂的过程，如首先进程申请一个空白PCB，并向PCB中填写用于控制和管理进程的信息，然后为该进程分配运行时所必须的资源，最后，把该进程转入就绪状态并插入就绪队列中。

进程的终止状态：

        两个步骤：首先等待操作系统进行善后处理，最后将其PCB清零，并将PCB空间返还系统。

PCB(进程控制块) ：描述进程的属性

        为了使参与并发执行的每个程序都能独立运行，在操作系统中必须为之配置一个专门的数据结构，就是PCB。系统利用PCB来描述进程的基本情况和活动状态，进而控制和管理进程。

        所谓创建进程，实质上创建进程实体中的PCB,而撤销进程，实质上是撤销进程的PCB。

       创建一个进程时，应首先创建其PCB，然后才能根据PCB中的信息对进程实施有效的管理和控制。当一个进程完成其功能之后，系统则释放PCB，进程也随之消亡。

PID ：进程的身份标识

4.进程调度

（1） 当CPU为单核时，此时CPU同一时刻只能有一个进程上CPU执行，调度策略分为分时调度和抢占式调度，将所有的的就绪进程拍成一个就绪队列，分时调度即规定每个线程在CPU中执行一定时间如30ms(时间片)，执行到8ms时无论执行完否，都得下CPU,让其他线程执行，轮转调度；而抢占式调度指的是进程之间按照某种原则规定形成优先级，优先级高的先上CPU执行，并且当有新进程到达时，如果他的优先级比正在执行的进程的优先级高，则又开始执行这个新进程，并发执行这个词出现，指的是同一时间多进程执行，而非同一时刻。

（2）当CPU为多核时，此时CPU同一时刻可以有多个进程上CPU执行，即并行执行，指的是同一时刻多进程同时执行。

如何管理进程？

1. 进程的调度：在多个等待使用处理器的进程中，按照一定策略选择合适的进程，使之拥有处理器的使用权而进入运行。
2. 进程的同步：对系统中的多个进程在对共享资源的使用出现竞争时进行控制和协调。
3. 进程的控制：进程的创建和撤消以及进程状态的转换。
4. 进程的安全：解决因多个进程争夺资源的使用权而进入 “死锁”的僵局，使系统安全顺利地运行。