核心 1：计算机的五大基本组件 (冯·诺依曼结构)
【重点】 想象一台计算机就是一套自动化处理信息的系统，它由五个不可或缺的部分组成，（如图 2 所示）：
运算器 (Arithmetic Logic Unit - ALU)
- 作用：计算机的“大脑计算核心”，负责执行所有的算术运算（加、减、乘、除）和逻辑运算（与、或、非、比较）。
- 位置：通常和控制器一起被集成在 CPU 内部。
控制器 (Control Unit - CU)
- 作用：计算机的“总指挥官”或“神经中枢”。它负责读取指令（从内存中），解码指令（搞明白这条指令是让干啥），然后向其他所有部件发出控制信号，指挥它们协同工作。
- 位置：集成在 CPU 内部。
存储器 (Memory)
- 作用：存放指令和数据的地方。这是程序能够运行的基础。
- 层次结构：存储器不是单一的，而是一个金字塔结构，速度和成本差异巨大：
- CPU 寄存器 (Registers)：最快，容量最小（几十到几百字节），直接在 CPU 核心里，是 ALU 的“手”。
- 高速缓存 (Cache)：很快，容量较小（几 MB），是 CPU 和内存之间的缓冲。
- 主存储器/内存 (Main Memory/RAM)：速度较快，容量较大（几 GB 到几十 GB），是程序运行的主要工作区。
- 辅助存储器/外存 (Secondary Storage)：最慢，容量最大（TB 级别），如硬盘、SSD，用于永久存储程序和数据。
输入设备 (Input Devices)
- 作用：向计算机输入信息。
- 例子：键盘、鼠标、麦克风、摄像头。
输出设备 (Output Devices)
- 作用：从计算机获取处理结果。
- 例子：显示器、打印机、音响。
计组核心思想 💡
在运行前，指令和数据都必须先从外存（硬盘）加载到内存（RAM）中，然后控制器才能一条一条地去内存中取出指令并执行。
![[Pic/Pasted image 20250918121027.png]] [图 2：计算机的五大组成部分示意图]
核心 2：CPU 的内部解剖
【核心考点】 CPU (中央处理器) 是运算器和控制器的集合体。为了完成“取指-解码-执行”的循环，它的内部至少有以下几个关键部件，（如图 23 所示）：
程序计数器 (Program Counter - PC)
- 功能：一个特殊的寄存器，永远指向内存中下一条待执行指令的地址。它是 CPU 执行流程的“导航仪”。
指令寄存器 (Instruction Register - IR)
- 功能：存放当前正在被执行的这条指令本身。控制器会分析 IR 里的内容来解码。
通用寄存器组 (General-Purpose Registers)
- 功能：CPU 的“高速草稿纸”，用于临时存放操作数、中间结果。我们之前讨论过的
eax,ebx等就是它们。
- 功能：CPU 的“高速草稿纸”，用于临时存放操作数、中间结果。我们之前讨论过的
算术逻辑单元 (ALU)
- 功能：执行具体的数学和逻辑计算。它从通用寄存器中获取操作数，并将结果写回通用寄存器。
堆栈指针 (Stack Pointer - SP)
- 功能：一个特殊的寄存器，永远指向内存中“栈”这个区域的栈顶地址。它对函数调用和返回至关重要。
程序状态字 (Program Status Word - PSW)
- 功能：一个包含多个状态标志位的寄存器。我们之前讨论的内核模式/用户模式的切换，就是通过修改 PSW 中的一个特定“模式位”来实现的。它还包含了上一次运算结果是零、是负、是否溢出等信息（即 Flags）。
程序执行的微观循环 (Fetch-Decode-Execute Cycle) ⚙️
- 取指 (Fetch)：控制器根据 PC 的地址，去内存中把指令取出来，放入 IR。
- 解码 (Decode)：控制器分析 IR 中的指令，搞清楚是什么操作，需要哪些操作数。
- 执行 (Execute)：指挥 ALU 和通用寄存器等部件完成指令要求的工作。
- PC 更新：PC 的值自动增加，指向下一条指令，然后重复第一步。
核心 3：总线 (Bus)——信息的高速公路
【重点】 计算机的各个部件（CPU, 内存, I/O 设备）之间并不是随意连接的，而是通过一组共享的电子线路来通信，这组线路就是总线。
（如图 24 所示） 这张图展示了一个更真实的计算机结构，里面有两种主要的总线：
内存总线 (Memory Bus) / 系统总线
- 特点：速度极快。
- 连接对象：专门用于连接高速设备，主要是 CPU 和 内存 (RAM)。
- 作用：CPU 和内存之间需要进行海量、高速的数据交换，必须走这条“高速专线”。
I/O 总线 (I/O Bus)
- 特点：速度相对较慢。
- 连接对象：连接各种慢速的外围设备，如硬盘控制器、USB 控制器（连接键盘鼠标）、网络控制器等。
- 作用：为众多速度各异的设备提供一个统一的接入通道。
桥 (Bridge)：
- 作用：内存总线和 I/O 总线之间的“立交桥”或“转换器”。它负责协调两种不同速度的总线之间的通信。
为什么这对操作系统很重要？ 🤔
这个结构解释了为什么 I/O 操作那么“昂贵”（耗时）。当 CPU 需要从硬盘读数据时，请求信号需要从高速的内存总线，通过“桥”，进入慢速的 I/O 总线，到达硬盘控制器，硬盘进行机械寻道和读取，数据再原路返回。这个过程比 CPU 直接从内存读数据要慢上成千上万倍。因此，操作系统必须设计复杂的 I/O 调度算法和中断机制，以在等待 I/O 的漫长时间里让 CPU 去做别的事情，从而提高系统效率。 ![[Pic/Pasted image 20250918121653.png]] [图 24：展示内存总线和 I/O 总线分离的计算机结构图]
总结
对于理解操作系统，你最需要从计组中带走的知识是：
- 分层存储：CPU 只能直接和高速的寄存器、缓存、内存打交道。硬盘上的程序必须先加载到内存。
- CPU 核心：CPU 内部有 PC、IR、通用寄存器等部件，它们是程序状态的物理载体。
- 执行循环：CPU 的工作本质就是“取指-解码-执行”的死循环。
- 硬件支持：操作系统的许多高级功能（如内存保护、特权模式）都依赖于 PSW 等特殊寄存器提供的硬件支持。
- 速度差异：内存访问和 I/O 访问之间存在巨大的速度鸿沟，这是操作系统需要解决的核心性能问题之一。
Xyea