计算机硬件功能解释及进程启动和切换详解

计算机硬件构成与功能

根据冯·诺依曼思想，计算机结构必须包含：运算器（CPU）、控制器（控制单元）、存储设备（内存，硬盘），总线，以及输入输出设备，而现代计算机结构中把计算单元和控制单元都被集成到了CPU中

CPU（Central Processing Unit，中央处理器）

**是计算机最重要的组成部分之一，主要功能是执行程序中的指令。**CPU的结构一般包含以下三个部分：

1. 控制单元（Control Unit，CU）：控制单元负责从内存中获取/解码指令、控制数据的流动、以及跳转到指令的正确位置等。控制单元通常被认为是CPU的大脑。
2. 算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）：算术逻辑单元执行CPU中的数学运算和逻辑运算，例如加法、减法、乘法、除法等运算。
3. 寄存器（Registers）：寄存器是一些高速缓存的存储区域，用于存储CPU需要快速访问的数据，例如指令指针、程序计数器Program Counter，PC）、累加器、标志寄存器等。

除了上述主要部分，CPU还包括高速缓存（Cache）、总线（Bus）和时钟（Clock）等组成部分。高速缓存用于提高CPU和内存之间的数据传输速度，总线用于传输数据和指令，时钟用于控制CPU中各部分的运行速度，保证各部分的同步运行。

控制单元

**负责从内存中获取执行指令。**当进程启动时，操作系统会将进程的代码段载入到内存中的某个位置，并将该位置的内存地址存储在CPU的指令指针寄存器中。当CPU要执行下一条指令时，控制单元会从PC中读取当前指令的地址，然后通过总线将地址发送给内存。内存会将指定地址中的指令读取到CPU中的指令寄存器中，然后控制单元会执行该指令。具体如下：

1. 取指令：控制单元从内存中获取下一条要执行的指令，指令地址存储在PC中。
2. 解码指令：控制单元对获取的指令进行解码，确定需要执行哪些操作，例如读取寄存器或者存储器。
3. 执行指令：控制单元执行指令，并根据指令的结果更新状态寄存器和其他寄存器的值。
4. 循环执行：重复执行以上步骤，直到程序执行完成或者出现错误。

注：虽然控制单元获取的指令是二进制形式的机器代码，但是CPU内部的电路并不能直接识别并执行这些指令。因此，控制单元需要对获取的指令进行解码，将其转换为对应的控制信号，以控制CPU内部的各个电路完成特定的操作。

算术逻辑单元

**ALU接收控制单元的指令，执行算术和逻辑操作，并将执行结果存储回寄存器中。**细节如下：

当控制单元从内存中获取到一条指令时，会将其分发给ALU进行执行。ALU的输入通常来自于寄存器文件中的寄存器。控制单元会从指令中提取操作数，并将其存储在寄存器中，然后将寄存器的编号发送给ALU。ALU根据指令从寄存器中读取数据，并进行相应的算术或逻辑操作。执行结果存储在另一个寄存器中，以供后续的指令使用。

储存单元：

用于存储正在运行的程序和数据的主要硬件组件之一。当计算机启动时，操作系统和其他关键程序会被加载到内存中。程序在执行过程中需要从内存中读取数据和指令。

总线：

CPU通过内存总线读取内存数据，I/O总线用于连接CPU和其他外部设备，例如硬盘、网卡等。

1. 内存总线：内存总线的带宽决定了CPU读写内存的速度，对系统的性能影响非常大。
2. I/O总线：I/O总线的带宽影响着系统的输入输出速度。

进程启动过程

进程启动时，操作系统会为进程分配内存空间、加载代码和数据、初始化进程环境。进程启动后会进入就绪状态，等待操作系统分配CPU时间片。当操作系统选择该进程来执行时，控制单元会按顺序读取代码并执行指令，直到进程让出CPU执行权、执行完毕或出现错误。

1. 分配进程所需的内存空间：操作系统会为进程分配一定量的内存空间，用于存储进程代码、数据和堆栈等信息。这些内存空间可以来自物理内存或虚拟内存。
2. 加载进程代码和数据：操作系统会将进程的代码和数据从磁盘等存储设备中读取到内存中，以便进程能够执行这些代码和访问这些数据。
3. 初始化进程环境：操作系统会为进程创建一个进程控制块（PCB），并初始化该进程的上下文环境，包括进程状态、程序计数器、堆栈指针、寄存器等。此外，操作系统还会为进程分配其他资源，如文件描述符、套接字等。
4. 分配 CPU 时间片：操作系统会为进程分配一定的 CPU 时间片，允许进程在该时间片内执行一定的计算任务。
5. 进入就绪状态：进程启动后，它会进入就绪状态，等待操作系统分配 CPU 时间片以便执行计算任务。
6. 调度进程：当操作系统需要选择一个进程来执行时，它会使用进程调度算法从就绪队列中选择一个进程，并将 CPU 时间片分配给该进程。
7. 执行代码：抢夺到CPU的调度权后，系统会加载该进程的PCB块到CPU中，然后执行代码，细节如下：
   1. 控制单元会从PC中获取将要执行的指令的内存地址，将内存地址发送到内存控制器
   2. 然后内存控制器通过内存总线将指令读取到寄存器中
   3. 控制单元通过寄存器获取到指令后分发给ALU进行执行，并根据指令的结果更新状态寄存器和其他寄存器的值。
8. 循环执行：控制单元一直进行第七个步骤执行代码
9. 进程停止：进程直到让出CPU执行权或进程执行完毕或者进程报错停止为止，进程结束
10. 清除进程数据：操作系统会释放进程所占用的内存空间、文件句柄等资源，将进程标记为“已终止”，并从进程调度队列中移除该进程，使其不再被调度执行，释放PCB，到此为止该进程的生命周期就此结束

注一：**控制单元读取数据：**当CPU执行指令需要读取数据时，控制单元会从指令中解析计算出实际的物理地址，然后再通过内存总线向内存发送读取请求，请求读取指定地址处的数据。内存控制器收到请求后，会在内存中查找相应的地址，读取出对应的数据，并通过内存总线将数据传输回CPU，最后由数据寄存器接收数据。这个过程通常被称为“取数指令周期”或“数据访问周期”，它是指令执行过程中的一个重要步骤。

注二：**进程中的三级缓存：**在上述进程执行过程的描述中，关于三级缓存的描述，CPU首先会从主存储器中加载指令和数据，如果需要访问的数据已经存在于处理器的三级缓存中，则可以直接从三级缓存中读取，而不需要再次从主存储器中获取，这样可以显著降低访问数据的时间。如果数据不在三级缓存中，则需要从主存储器中读取，但这个过程也会被三级缓存优化，因为三级缓存可以在读取主存储器数据时，将数据块加载到缓存中，这样如果需要再次访问这些数据时，就可以直接从缓存中读取，而不必再次访问主存储器，从而提高程序执行效率。

进程切换过程

当操作系统切换进程时，需要保存当前进程的所有状态。所以操作系统通常会将进程的状态信息存储在该进程的控制块（Process Control Block, PCB：是一个数据结构，含了操作系统需要保存和恢复进程状态的所有信息，如进程的程序计数器、寄存器值、打开的文件等）中。

PCB存储在操作系统的内存空间/内核空间/内核态中，每个进程都有一个PCB。当操作系统切换进程时，它会将当前进程的PCB保存到内存中，并加载下一个要执行的进程的PCB。这个过程被称为上下文切换。

注：不存放到进程内存/用户空间/用户态中，原因有两点：

首先：如果PCB存储在进程内存空间中，那在进程创建/终止时，进程内存空间会被分配/释放，则PCB也需要被创建/释放。这样会增加操作系统管理进程的复杂度和开销。

其次：如果PCB存储在进程的内存空间中，那么进程可以通过修改自己的PCB来欺骗操作系统，从而破坏系统的稳定性和安全性。