java ee--计算机是如何工作的

计算机是如何工作的一篇讲透 CPU 内存编程语言与操作系统的博客

这是一篇从"一个电子开关"出发，一步一步把 CPU、内存、编程语言、操作系统全部搭建起来的学习博客。读完之后，计算机对你而言不再是一个打不开的黑箱。全文配有可点击跳转的目录，文中所有表格、真值表、进制换算都来自课堂讲义，并已逐条核对、修正了原稿里的笔误。

[一写在前面我们为什么要理解计算机如何工作](#一写在前面我们为什么要理解计算机如何工作)
[二计算机发展史](#二计算机发展史)
[三冯诺依曼体系结构](#三冯诺依曼体系结构)
[四认识计算机的祖师爷冯诺依曼](#四认识计算机的祖师爷冯诺依曼)
[五从电子开关到逻辑门](#五从电子开关到逻辑门)
[六门电路与门或门非门](#六门电路与门或门非门)
[七算术逻辑单元 ALU](#七算术逻辑单元 ALU)
[八进制的理解](#八进制的理解)
[九算术单元搭建一个 8 位加法器](#九算术单元搭建一个 8 位加法器)
[十逻辑单元与 ALU 符号](#十逻辑单元与 ALU 符号)
[十一寄存器 Register 与内存 RAM](#十一寄存器 Register 与内存 RAM)
[十二控制单元 CU](#十二控制单元 CU)
[十三指令 Instruction](#十三指令 Instruction)
[十四 CPU 的基本工作流程指令周期](#十四 CPU 的基本工作流程指令周期)
[十五时钟与 CPU 的诞生](#十五时钟与 CPU 的诞生)
[十六 CPU 部分要点小结](#十六 CPU 部分要点小结)
[十七编程语言 Program Language](#十七编程语言 Program Language)
[十八程序 Program 与早期编程](#十八程序 Program 与早期编程)
[十九编程语言的发展](#十九编程语言的发展)
[二十操作系统 Operating System](#二十操作系统 Operating System)
[二十一进程与进程控制块 PCB](#二十一进程与进程控制块 PCB)
[二十二 CPU 分配与内存分配](#二十二 CPU 分配与内存分配)
[二十三进程间通信 IPC](#二十三进程间通信 IPC)
[二十四全文总结](#二十四全文总结)

一写在前面我们为什么要理解计算机如何工作

在这阶段的课程里，我们会从软件工程师的视角来解释计算机是如何工作的。这里先把目标讲清楚：

我们的主要目标不是要求大家亲手造出一台计算机；
也不是介绍如何编写程序；
而是希望大家在了解计算机核心工作机制 之后，打破对计算机的神秘感，并且能理解我们平时编程时一些行为、动作背后的历史渊源。

建议大家配合 Crash Course Computer Science（计算机科学速成课）这套视频做更详尽的学习和了解，文字讲义与视频互为补充，效果最好。

很多人写了几年代码，仍然把计算机当成一个"输入程序就吐出结果"的黑箱。本文要做的，就是把这个黑箱一层层拆开：从最简单的电子开关开始，搭出门电路，再搭出能做加减法的 ALU，配上存储器和控制单元，最终拼出一个 CPU，并顺着它讲清楚编程语言、操作系统、进程这一整套概念到底是从哪里长出来的。

二计算机发展史

"计算"这个需求，在人类历史中是广泛存在的。它的发展大体经历了一条清晰的脉络：

一般计算工具 → 机械计算机 → 电子计算机

从最早的算筹、算盘这类计算工具，到以齿轮、凸轮驱动的机械计算机，再到今天以电子线路为核心的电子计算机，人类对计算的需求，始终在驱动我们不断地发明、改善计算机。

我们所处的这个时代，是"电子计算机"的时代。它发展的潮流可以概括为三个方向：

更快速------单位时间能完成更多运算；
更稳定------长时间可靠运行，错误率更低；
更微型------体积越来越小，集成度越来越高。

计算机以后会如何发展，正等待着大家的努力去书写。

推荐延伸阅读：《计算机简史》。

三冯诺依曼体系结构

现代的计算机，大多遵守冯诺依曼体系结构（Von Neumann Architecture）。它把一台计算机抽象成四大类部件，这是我们理解后面所有内容的地基：

CPU 中央处理器：负责进行算术运算和逻辑判断，是整个计算机的"大脑"；
存储器 ：分为外存和内存，用于存储数据，并且统一使用二进制方式存储；
输入设备：用户给计算机发号施令的设备，例如键盘、鼠标；
输出设备：计算机向用户汇报结果的设备，例如显示器、打印机。

这四类部件之间，存在两组非常重要的"跷跷板"关系，请记住它们，后文讲内存层级、讲抽象代价时都会回扣：

维度	大小关系	含义
存储空间	硬盘 > 内存 >> CPU	越靠近 CPU 的存储，容量越小
数据访问速度	CPU >> 内存 > 硬盘	越靠近 CPU 的存储，访问越快

也就是说，容量和速度是一对矛盾：CPU 内部寄存器最快却最小，硬盘最大却最慢，内存介于两者之间。整个计算机体系的大量设计，都是在为这对矛盾寻找平衡。

四认识计算机的祖师爷冯诺依曼

冯·诺依曼（John von Neumann，1903 年 12 月 28 日 --- 1957 年 2 月 8 日），美籍匈牙利数学家、计算机科学家、物理学家，是 20 世纪最重要的数学家之一。

他是布达佩斯大学的数学博士，是现代计算机、博弈论、核武器和生化武器等多个领域内的科学全才之一，被后人尊称为"现代计算机之父 ""博弈论之父"。

我们今天使用的计算机之所以是今天这个样子------程序和数据都以二进制形式同等地存放在内存里、由 CPU 逐条取出并执行------追根溯源，正是冯诺依曼体系结构奠定的范式。

五从电子开关到逻辑门

接下来，我们用一个从无到有的过程，一步步搭建出一个 CPU。希望大家借助这个过程，真正理解 CPU、内存等计算机主要部件的工作原理。

第一步，是最底层的电子开关 ，最典型的代表是机械继电器（Mechanical Relay）。

一个电子开关本质上只有两种状态：通与断。如果把"通"记作 1（真 / TRUE）、"断"记作 0（假 / FALSE），那么通过控制开关的通断，我们就可以完成 1 位（bit） 的、看似无用的逻辑运算------但至少它工作起来了，不是吗？

如何把这样简陋的电子开关组合出真正有用的逻辑组件，是接下来要解决的问题。

补充：后来的真空管、晶体管，实质上完成的也是类似的工作------控制电流的通断------只是物理原理更加复杂。这里我们聚焦在逻辑层面，不去深入解读它们的物理细节。

六门电路与门或门非门

接下来我们学习如何使用电子开关构建一些有用的部件------门电路（Gate Circuit） 。门电路可以实现 1 位（bit） 的基本逻辑运算。下面是最基础的三种门，配上它们的真值表。

非门 NOT Gate

非门只有一个输入、一个输出，作用是把输入取反。

输入	输出
TRUE	FALSE
FALSE	TRUE

输入为真则输出为假，输入为假则输出为真，"非"就是"取反"。

与门 AND Gate

与门有两个输入、一个输出，只有当两个输入都为真时输出才为真。

输入 1	输入 2	输出
TRUE	TRUE	TRUE
TRUE	FALSE	FALSE
FALSE	TRUE	FALSE
FALSE	FALSE	FALSE

可以理解为"串联开关"：两个开关都闭合，电路才接通。

或门 OR Gate

或门有两个输入、一个输出，只要至少有一个输入为真，输出就为真。

输入 1	输入 2	输出
TRUE	TRUE	TRUE
TRUE	FALSE	TRUE
FALSE	TRUE	TRUE
FALSE	FALSE	FALSE

可以理解为"并联开关"：两个开关里只要有一个闭合，电路就接通。

一个关键的洞见：与、或、非这三种基本门，经过任意组合，就能表达任何逻辑关系。这正是后面能从"开关"一路搭建出"会算数的 CPU"的根本原因。

七算术逻辑单元 ALU

ALU（Arithmetic & Logic Unit，算术逻辑单元） 是计算机中进行算术运算、逻辑运算的核心部件，堪称计算机的"数学大脑"。

接下来，我们用上一节构建好的逻辑门，来搭建一个属于自己的 ALU，理解它的工作模式，把它作为进一步理解现代计算机工作原理的基石。

业界著名的实物 ALU：Intel 74181 ，它是一个 4 位（bit） 的 ALU。我们后面要搭的，是一个 8 位的，比它更宽。

在正式搭 ALU 之前，我们得先解决一个前置问题：计算机用二进制存储数据，那"进制"到底是什么？

八进制的理解

我们已经熟悉数字的各种表示了，这里再简单回顾一下进制。

十进制（decimal notation / 10 base notation）

十进制里每一位的"权重"是 10 的幂。以数字 183 为例：

10²	10¹	10⁰
100's	10's	1's
1	8	3

把它展开：

复制代码

183 = 1 × 10² + 8 × 10¹ + 3 × 10⁰
    = 1 × 100 + 8 × 10 + 3 × 1

二进制（binary notation / 2 base notation）

二进制里每一位的权重是 2 的幂。计算机用 8 位二进制表示一个字节，以 10110111 为例：

2⁷	2⁶	2⁵	2⁴	2³	2²	2¹	2⁰
128's	64's	32's	16's	8's	4's	2's	1's
1	0	1	1	0	1	1	1

把它展开（只把为 1 的位加起来）：

复制代码

263 = 1 × 2⁷ + 1 × 2⁵ + 1 × 2⁴ + 1 × 2² + 1 × 2¹ + 1 × 2⁰
    = 1 × 128 + 1 × 32 + 1 × 16 + 1 × 4 + 1 × 2 + 1 × 1
    = 263

注：二进制 10110111 对应的十进制正是 263。理解了"每一位按权重展开再求和"，任何进制之间的换算都只是同一套方法的反复运用。

有了进制的概念，我们就能用门电路去实现"把两个二进制数相加"的部件了。

九算术单元搭建一个 8 位加法器

算术单元（Arithmetic Unit） 负责计算机里所有的数字操作，比如四则运算------当然它能做的远不止这些。

这里我们以一个 8 位（bit）加法器（adder） 为例，演示整个搭建过程，其他运算器就不再逐一展开。

思路是层层递进的：

半加器：把两个 1 位二进制数相加，得到"本位和"与"进位"。它只需要一个异或门算本位、一个与门算进位。
全加器：在半加器基础上，多接收一个来自低位的"进位输入"，从而能处理连续进位。
多位加法器（行波进位加法器）：把 8 个全加器串起来，低位的进位接到高位的进位输入，一次就能把两个 8 位二进制数相加。

至此，一个 8 位加法器 就被我们从无到有制作了出来。

算术单元支持的操作当然远不止加法：通过继续组合逻辑门，算数单元可以做到加减乘除甚至更多的算术运算，但用一个加法器作为演示已经足够了。

实际上，乘法器和除法器的制作难度要高于加法器、减法器，有兴趣的同学可以尝试做更多了解。

十逻辑单元与 ALU 符号

逻辑单元（Logic Unit） 主要用来进行逻辑操作 ，最基本的就是与、或、非操作，但不再局限于一位（bit）数的比较，而是可以对整字（如 8 位、32 位）逐位执行这些逻辑运算。

把算术单元和逻辑单元合在一起，就是我们所说的 ALU。在电路图里，ALU 通常用一个组合符号表示：左边是数据输入端和运算控制端，右边是运算结果输出端，中间标注它支持的各种算术与逻辑操作。

经过我们的努力，通过基本的逻辑门电路，一步步做出了一个 8 位 ALU------甚至比 Intel 74181 还要强大（Intel 74181 只是一个 4 位 ALU）。

当然，现代计算机中的 ALU 部件非常强大，复杂度远远超出我们的想象，32 位甚至 64 位 的 ALU 基本已经普及全球。但无论如何，再复杂的 ALU，也是芯片工程师像我们这样，一层又一层、一步又一步地把它抽象出来的。

ALU 是第一次把人类历史上的数学和逻辑学两门学科有机地结合起来的部件，可以视为人类智慧发展的现代巅峰之一。

十一寄存器 Register 与内存 RAM

光有 ALU 还远远不够------ALU 算出来的结果、要参与运算的数据，都需要有地方存放。没有存储部件，ALU 寸步难行。所以下面我们利用门电路，简单说明存储是怎么做出来的。

重要提醒：虽然电路图上没有明显标出来，但这些存储电路都必须保持通电 才能维持所存的数据。也就是说，这一类存储都是易失的（volatile）------一断电，数据就没了。这正是内存（RAM）"掉电即失"的根本原因。

存储的最小单元是触发器 / 门锁（Latch）：利用门电路构成一个带反馈的回路，可以"锁住" 1 位状态。它有几个关键控制信号：

使能线（Enable）：决定"现在能不能写"。
输入线：要写入的数据。
输出线：读出的数据。

工作效果是：使能线置位时 ，输入为 1 就保存 1，输入为 0 就保存 0；使能线不置位时，写入无效，原有数据保持不变。

把许多个这样的存储单元并排放 together，就构成了寄存器（Register）------CPU 内部一小撮速度极快、容量极小的存储单元，用来暂存指令、地址和运算数据。

内存的构建要比单个寄存器复杂一些，但基本原理一致。用这种方式构建的内存被称为 RAM（Random Access Memory，随机访问存储器） ，它可以支持 O(1) 时间复杂度访问任意位置的数据。

这正是一个重要的硬件解释：为什么数组按下标访问是 O(1) 的------因为底层 RAM 本身就支持随机访问，定位到任何一个地址所花的时间是常数级的。

期间为了聚焦主线，我们隐藏了大量实现细节，对这部分感兴趣的同学可以在课后做深入学习。

十二控制单元 CU

现在，我们有了 ALU，也有了存储。但这还不足以让计算机真正"工作起来"------总得有一个部件来指挥 ALU 该做哪种运算 。这个部件，就是控制单元 CU（Control Unit）。

关于 CU 如何由门电路从无到有地搭建，这里我们直接做抽象处理。大家只需要理解：CU 可以驱动 ALU 进行具体的计算工作即可。至于 CU 究竟是怎么驱动 ALU 一步步完成动作的，我们在下一节结合"指令"来详细论述。

至此，ALU + 存储 + CU 三大件已经齐备，缺的是把它们串起来的"命令"------也就是指令。

十三指令 Instruction

在讲 CPU 工作流程之前，先介绍我们要用到的指令（instruction）。

所谓指令，就是指导 CPU 进行工作的命令。一条指令主要由两部分组成：

操作码（opcode） ：表示这条指令要做什么动作（加？存？读？）；
被操作数 ：本条指令要操作的数据。它可能是一个内存地址，也可能是一个寄存器编号，等等。

这里有一个至关重要的认知：

指令本身也是一个数字，用二进制形式保存在内存的某个区域中。

也就是说，程序（一堆指令）和数据（一堆数字）在内存里是平起平坐、混在一起存放的------这正是冯诺依曼体系的核心特征之一。CPU 取出来的只是一串二进制位，到底把它当指令还是当数据，取决于此刻如何使用它。

下面给出一套用于演示的简化指令集：

指令 instruction	功能说明	4 位 opcode	操作地址或寄存器
LOAD_A	从 RAM 的指定地址，将数据加载到 A 寄存器	0010	4 位 RAM 地址
LOAD_B	从 RAM 的指定地址，将数据加载到 B 寄存器	0001	4 位 RAM 地址
STORE_A	将 A 寄存器的数据写入到指定地址	（示例中省略）	地址
ADD	将 A 和 B 寄存器中的数据相加	（示例中省略）	寄存器 ID

十四 CPU 的基本工作流程指令周期

接下来，我们演示一条指令运行的一个周期，希望大家掌握这个流程，并能自己把剩余指令跑完。

先给内存预置一批数据（地址 0 起）：

地址	数据	地址	数据
0	00101110	8	00000000
1	00011111	9	00000000
2	10000100	10	00000000
3	01001101	11	00000000
4	00000000	12	00000000
5	00000000	13	00000000
6	00000000	14	00000011
7	00000000	15	00001110

以第一条指令为例，走一遍取指---执行周期

CPU 里有两个关键寄存器：

PC（程序计数器） ：记录"下一条要执行的指令在哪个地址"，本例初始 PC = 0；
IR（指令寄存器）：从内存取出来、正在被执行的那条指令。

按 PC = 0 去内存取指令，取出地址 0 的内容 00101110，写入 IR。于是 IR = 0010 1110 。现在 CU 来分析这条指令：

拆操作码 ：高 4 位是 0010，查指令集可得这是 LOAD_A 操作。
拆操作数 ：低 4 位是 1110，它对应的十进制是 14。
执行动作 ：把 RAM 中地址为 14 的数据读出来，写入寄存器 A。查表，地址 14 的数据是 00000011，即十进制的 3。
写回：寄存器 A = 0000 0011（即 3），寄存器 B 此时为 0。至此 CU 完成了 LOAD_A 这条指令的动作。

有趣的是：这条 LOAD_A 指令本身并没有用到 ALU。但这只是其中一类指令而已。

自己动手跑完剩下的指令

请大家尝试把剩余的指令自行运行一遍，观察并理解这个过程。比如：

00011111（地址 1）：高 4 位 0001 = LOAD_B，低 4 位 1111 = 15，于是把地址 15 的数据 00001110（即 14）读入寄存器 B；
随后的 ADD 指令：把寄存器 A（3）与寄存器 B（14）相加，得到 17；
再用 STORE_A 把结果写回某个地址......

走完一遍，你会清楚地看到 PC 如何自动递增、指令如何被一条条取出并执行。

执行周期经过的阶段

总结下来，一条指令的执行周期大致经过：

取指令（Fetch）：按 PC 从内存取指令到 IR，PC 自增；
分析指令（Decode）：CU 拆分出操作码与操作数；
执行指令（Execute）：驱动 ALU 运算，或在寄存器、内存之间搬运数据；
写回结果（Write back）：把结果写入寄存器或内存。

当然，真实电子计算机里的 CPU 可不像我们这样靠人手动推动周期运转，而是靠背后一个时钟（Clock） 来周期性地驱动。延伸思考：知乎上有一个经典问题------"时钟频率是什么概念"，值得顺着它理解主频、指令吞吐与性能之间的关系。

十五时钟与 CPU 的诞生

最后，把这一路搭建的部件合拢：

ALU + CU + 寄存器 + 时钟 = 中央处理器（Central Processing Unit，简称 CPU）

时钟就像 CPU 的心跳，每"跳"一次，就推动整个机器走完一个节拍，让取指、分析、执行、写回有条不紊地向前推进。一个曾经充满神秘感的"中央处理器"，此刻完完整整地摊在了我们面前。

十六 CPU 部分要点小结

把本节一些关键结论做成文字总结，务必记牢：

CPU 中的 PC（程序计数器）寄存器，是决定 CPU 要执行哪一条指令的关键；
指令由 动作（操作码）+ 操作对象（被操作数） 组成；
CPU 眼中只有指令，没有别的概念------它不会"理解"你的程序，它只是机械地取指令、执行指令。

这三句话，是理解一切"程序为什么这样跑""为什么某个写法会卡住 / 会快"的底层出发点。

十七编程语言 Program Language

有了上一节亲手搭出来的 CPU 和内存，我们终于可以回头看看：我们早已熟悉的编程语言（例如 Java），到底是怎么和 CPU 指令对应起来的。

十八程序 Program 与早期编程

什么是程序

所谓程序，就是一组指令，以及这组指令要处理的数据。

程序 = 指令 + 指令要处理的数据。

狭义上来说，程序对我们而言，通常表现为一组文件。

早期编程：用 0 和 1 写程序

先讲一个流传很广的趣味故事。大意是：很久以前有人 Win98 系统崩溃了，朋友介绍一位"高手"来修电脑。高手没有系统盘，却把电话线接到电脑的一个插孔上，进入 DOS，然后在电话拨号键盘上飞快地只按 0 和 1 两个键，按了好几个小时，最后系统真的被修好了。故事的主人公后来才明白------那位"高手"是用机器语言重新编了一个 98 系统。

这当然只是个段子，事情本身并不真实。但它道出了一个事实：

最早的电脑，要编程，是真的需要用 0、1 来编程的。

下图所示的 Altair 8800 ，是最早的一批微型计算机之一。用户需要通过控制一排排物理开关，一个一个 bit 地把程序"拨"进电脑里。

如果要求所有计算机用户都必须用二进制编程，那大家都要疯掉了------这个门槛实在太高了。于是，编程语言应运而生。

十九编程语言的发展

汇编语言

为了提升编程效率，人类最早创造了汇编语言的概念。

汇编语言和机器语言（也就是指令）是完全一一对应的 ，只是相对于 0、1 这样的数字，发明了一些帮助人类记忆和理解的符号 把它对应起来------也就是我们前面看到的 LOAD_A、LOAD_B 这些助记符。程序员完成编程之后，需要使用汇编器（assembler） 把汇编语言翻译成机器语言。

高级语言

汇编虽然降低了记忆成本，但仍要求程序员掌握计算机硬件的所有知识；而且随着计算机厂商越来越多，一次编写的程序往往只适用于某一类计算机。这远远不够，于是更高级的语言诞生了。

高级语言屏蔽了硬件细节 ，让程序员可以站在更高的层面上思考业务。这里以 C 语言 为例，程序员写完程序后，需要：

复制代码

源程序 --编译器(compiler)--> 汇编语言 --汇编器(assembler)--> 机器语言
（其间还要经过连接器 linker 把各模块拼成可执行文件）

借助封装的思想，学习编程变得越来越容易。不过有利则有弊：高度的抽象，导致很多程序员把计算机视为一个黑箱，完全无法理解自己的程序到底是怎么跑起来的。

希望我们大家，都不要做这种把计算机当黑箱的程序员------这也是我们花力气把 CPU 从开关开始搭一遍的意义所在。

我们使用的 Java 语言相对于 C 语言更高级一点，但基本抽象原理上没有太大差异，这里暂不展开。

关键提醒：高级语言的一条语句（Statement），往往要对应很多条指令（Instruction）才能完成。 这正是"为什么看似简单的一行代码，运行起来开销差异巨大"的硬件层面原因之一。

二十操作系统 Operating System

操作系统 是一组对计算机资源进行管理的软件的统称。目前常见的操作系统有：Windows 系列、Unix 系列、Linux 系列、OSX 系列、Android 系列、iOS 系列、鸿蒙等。

操作系统的定位

操作系统有两个基本功能：

防止硬件被失控的应用程序滥用------避免某个程序把 CPU、内存、设备占满或搞坏；
向应用程序提供简单、一致的机制，去控制那些复杂且通常大相径庭的低级硬件设备------让程序员不必直接面对千差万别的硬件。

下面我们就以"操作系统到底管理了哪些资源"为主线，重点看进程这个核心概念。

二十一进程与进程控制块 PCB

什么是进程 / 任务（Process / Task）

每个应用程序运行在现代操作系统之上时，操作系统会提供一种抽象：好像整个系统上只有这一个程序在运行，所有硬件资源都被它独占了。

这种"假象"，正是通过抽象出进程（Process） 的概念来完成的。进程可以说是计算机科学中最重要、最成功的概念之一。

一句话定义：进程是操作系统对一个正在运行的程序的一种抽象。 换言之：

可以把进程看做程序的一次运行过程；
同时在操作系统内部，进程又是操作系统进行资源分配的基本单位。

进程控制块抽象 PCB（Process Control Block）

计算机内部要管理任何现实事物，都需要把它抽象成一组有关联的、互为一体的数据 。在 Java 语言里，我们正好可以用类 / 对象来描述这种特征。

java 复制代码

// 以下代码是 Java 伪码，重在说明，无法直接运行
class PCB {
    // 进程的唯一标识 ------ pid
    // 进程关联的程序信息，例如是哪个程序、加载到内存中的哪个区域等
    // 分配给该进程使用的各项资源
    // 进度调度信息（留待下面讲解）
}

这样，每一个 PCB 对象，就代表着一个实实在在运行着的程序，也就是进程。

操作系统再通过线性表、搜索树等数据结构，把这些 PCB 对象组织起来，方便管理时进行增、删、查、改等操作。

二十二 CPU 分配与内存分配

操作系统对两类最关键的资源------CPU 和内存------采用了两种截然不同的分配模式。

CPU 分配 ------ 进程调度（Process Scheduling）

为了便于讨论和理解，我们大部分场景下都假设是一台单 CPU、单核的计算机。

操作系统对 CPU 资源 的分配，采用的是时间模式 ：不同的进程在不同的时间段轮流去使用 CPU。同一瞬间其实只有一个进程真正占用 CPU，靠快速轮转制造出"大家都在同时跑"的并发假象。

内存分配 ------ 内存管理（Memory Manage）

操作系统对内存资源 的分配，采用的是空间模式 ：不同进程使用内存中不同的区域，彼此之间互不干扰。

一张对照表帮你记牢两种模式：

资源	分配模式	含义
CPU	时间模式	不同进程在不同时间段轮流使用
内存	空间模式	不同进程占用内存中不同区域

二十三进程间通信 IPC

如前所述，进程是操作系统进行资源分配的最小单位，这意味着各个进程之间本来是无法感受到对方存在的 ------这正是操作系统抽象出"进程"这一概念的初衷，由此带来了进程之间的隔离性（Isolation）。

但现代应用要完成一个复杂的业务需求，往往无法由单个进程独立完成，总需要进程与进程相互配合才能达成目的。这样一来，进程之间就产生了信息交换 的需求，进程间通信（Inter Process Communication，IPC） 的需求便应运而生。

目前主流操作系统提供的进程通信机制主要有以下几种：

管道
共享内存
文件
网络
信号量
信号

其中，网络是一种相对特殊的 IPC 机制：它不仅支持同一台主机 上两个进程之间的通信，还支持同一网络内部、不在同一主机上的进程之间进行通信。也正因如此，网络既是进程通信的手段，也是分布式系统、互联网服务得以成立的基石。

二十四全文总结

让我们把这条从头到尾的主线串起来：

从一个电子开关出发，用通断表示 1 位逻辑；
用开关组合出与、或、非 三种门电路，它们能表达任意逻辑；
用门电路搭出加法器 ，进而构成会算数的 ALU，第一次把数学与逻辑结合起来；
用门锁、触发器搭出寄存器与 RAM，给 ALU 配上"记性"，并解释了数组下标 O(1) 的由来；
用 CU 控制单元 指挥 ALU 干活，用 PC / IR 这两个寄存器把"取指---分析---执行---写回"的指令周期串起来；
ALU + CU + 寄存器 + 时钟 ，最终合成了我们熟悉的 CPU；
程序本就是"指令 + 数据"，最早只能用 0、1 编程，于是有了汇编语言 ，又为屏蔽硬件而有了高级语言------但请记住，抽象越高越容易，也越容易把人变成把计算机当黑箱的程序员；
操作系统 在硬件之上提供资源管理：用进程这个抽象制造"独占"假象，用 PCB 描述每个进程，用时间模式 分配 CPU、用空间模式 分配内存，并用管道、共享内存、文件、网络、信号量、信号 等 IPC 机制让隔离的进程彼此协作。

理解了这一切，你对计算机将不再充满神秘感。往后当你写下一行代码、看到一个性能现象、踩到一个并发或内存问题时，你都能想起它背后那条从"一个开关"开始的漫长链路------这，正是一位软件工程师该有的底层视野。

java ee--计算机是如何工作的

计算机是如何工作的 一篇讲透 CPU 内存 编程语言 与操作系统的博客

目录

一 写在前面 我们为什么要理解计算机如何工作

二 计算机发展史

三 冯诺依曼体系结构

四 认识计算机的祖师爷 冯诺依曼

五 从电子开关到逻辑门

六 门电路 与门 或门 非门

非门 NOT Gate

与门 AND Gate

或门 OR Gate

七 算术逻辑单元 ALU

八 进制的理解

十进制（decimal notation / 10 base notation）

二进制（binary notation / 2 base notation）

九 算术单元 搭建一个 8 位加法器

十 逻辑单元与 ALU 符号

十一 寄存器 Register 与内存 RAM

十二 控制单元 CU

十三 指令 Instruction

十四 CPU 的基本工作流程 指令周期

以第一条指令为例，走一遍取指---执行周期

自己动手跑完剩下的指令

执行周期经过的阶段

十五 时钟与 CPU 的诞生

十六 CPU 部分要点小结

十七 编程语言 Program Language

十八 程序 Program 与早期编程

什么是程序

早期编程：用 0 和 1 写程序

十九 编程语言的发展

汇编语言

高级语言

二十 操作系统 Operating System

操作系统的定位

二十一 进程与进程控制块 PCB

什么是进程 / 任务（Process / Task）

进程控制块抽象 PCB（Process Control Block）

二十二 CPU 分配与内存分配

CPU 分配 ------ 进程调度（Process Scheduling）

内存分配 ------ 内存管理（Memory Manage）

二十三 进程间通信 IPC

二十四 全文总结

计算机是如何工作的一篇讲透 CPU 内存编程语言与操作系统的博客

一写在前面我们为什么要理解计算机如何工作

二计算机发展史

三冯诺依曼体系结构

四认识计算机的祖师爷冯诺依曼

五从电子开关到逻辑门

六门电路与门或门非门

七算术逻辑单元 ALU

八进制的理解

九算术单元搭建一个 8 位加法器

十逻辑单元与 ALU 符号

十一寄存器 Register 与内存 RAM

十二控制单元 CU

十三指令 Instruction

十四 CPU 的基本工作流程指令周期

十五时钟与 CPU 的诞生

十七编程语言 Program Language

十八程序 Program 与早期编程

十九编程语言的发展

二十操作系统 Operating System

二十一进程与进程控制块 PCB

二十三进程间通信 IPC

二十四全文总结