Day 01-02 计算机组成原理与操作系统

[TOC]

Day 01 计算机组成原理

1. 什么是计算机？

计算机俗称电脑，相当于一种"人造人"——一通电就能像人脑一样工作。

2. 为何要有计算机？

造出一种机器取代人去工作，计算机就相当于人类的奴隶。

3. 计算机的核心组成

计算机由五大部分组成：

CPU = 控制器 + 运算器，即计算机的"大脑"。

3.1 存储器详解

3.2 程序在计算机中是如何运行的？

程序运行前，一定先存放在硬盘中（安装程序本质就是把代码文件放到硬盘各位置）。

程序运行分两个阶段：

flowchart LR
    A[硬盘中的程序] -->|1. 加载阶段| B[内存]
    B -->|2. 执行阶段| C[CPU 从内存取指令运行]

1. 加载/启动阶段：把程序的指令或数据从硬盘读入内存
2. 执行阶段：CPU 从内存中取出指令来运行

4. 处理器详解

4.1 CPU 指令集

• x86：复杂指令集（CISC）
• 64 位：CPU 一次性能从内存中取出 64 位二进制数，即 64 位 CPU 认为 64 位二进制数才是一条完整指令

补充：一个二进制数又称之为一个 bit（比特位）。

兼容性：

软件包命名示例：nginx-1:1.20.1-14.el9_2.1.x86_64（版本与 CPU 兼容性相关）

4.2 多核多线程

• 2 核 4 线程：真 2 核，假 4 核（超线程技术）

5. 存储器详解

5.1 CMOS

与内存一样断电数据就丢，但特点是耗电量非常低，由主板上的电池负责供电。

5.2 存储单位换算

计算机存取硬盘的最小单位是一个扇区，一个扇区 = 512 字节。

5.3 机械磁盘寻址时间

5.4 虚拟内存（Swap）

在硬盘上分出一个空间当作内存使用，称为 swap 分区。

flowchart TD
    A[物理内存不足] -->|数据交换| B[Swap 分区]
    B -->|释放物理内存| A
    style B fill:#f9f,stroke:#333

要点：

• 虚拟内存是一种保命措施，不是提效措施
• 一旦物理内存不够用，会把部分数据交换到 swap 分区
• 整个过程计算机速度会降低，但保证不崩溃

6. 什么是编程语言？

编程语言与英语、汉语一样，是沟通的工具：

print ——工具转换——> 010101010

7. 什么是编程？什么是程序？

• 编程：把想让计算机做的事情的步骤，用编程语言翻译下来，写入一系列文件中
• 程序：这一系列文件就是程序，计算机本身不会运行，运行都是受程序控制

类比：

银行行长（人） ----指令----> 小员工（人）
  "要求用户输入账号"
  "要求用户输入密码"
  "判断账号密码是否正确"

银行行长（人） ----编程语言----> 计算机
  用编程语言把上述步骤翻译

8. 程序的分类

只有操作系统才能控制计算机硬件，应用程序操作硬件必须给操作系统发请求。

9. 计算机体系的三层结构

flowchart TB
    A[应用程序] --> B[操作系统]
    B --> C["计算机硬件<br/>CPU、内存、硬盘"]

Day 02 操作系统

1. 操作系统是什么？

操作系统是一个协调、管理、控制计算机硬件资源给应用程序使用的控制程序。

应用程序：图形界面 / 命令解释器
操作系统：Windows / Linux
计算机硬件：CPU、内存、硬盘

2. 为何要有操作系统？

为了方便上层应用程序开发——操作系统把复杂的硬件控制代码写好，对上层提供简单的功能接口。

操作系统 vs 应用程序：

3. 操作系统的构成

操作系统由两部分构成：

3.1 用户态与内核态

flowchart LR
    subgraph 用户态
        A["系统调用接口<br/>与应用程序打交道"]
    end
    subgraph 内核态
        B["内核<br/>与硬件打交道"]
    end
    A <-->|频繁切换| B

• 用户态：执行系统调用接口层代码，与上层应用程序打交道
• 内核态：执行内核代码，与底层硬件打交道
• 操作系统运行过程中会频繁发生用户态与内核态的切换

3.2 应用程序如何启动运行？

flowchart LR
    A["双击快捷方式 / 执行命令"] --> B["图形界面 / 命令解释器 bash"]
    B --> C[操作系统]
    C --> D[硬件]

具体流程：

1. 操作系统接到启动程序的指令
2. 操作系统控制硬盘把程序代码文件读入内存
3. 操作系统控制 CPU 去内存里读取程序指令来运行

4. 操作系统的分类

5. 操作系统发展史

flowchart LR
    A["第一代<br/>无操作系统<br/>串行执行"] --> B["第二代<br/>批处理系统<br/>仍串行"]
    B --> C["第三代<br/>多道技术 + 分时系统<br/>并发执行"]
    C --> D[CTTS 分时操作系统]
    D --> E["MULTICS<br/>支持更多终端"]
    E --> F["UNIX<br/>1970 Unix 元年"]
    F --> G["GNU / GPL 开源运动"]
    G --> H["Linux<br/>加入 GPL"]
    H --> I["发行版<br/>RedHat 系 / Debian 系"]

5.1 第一代计算机

• 没有操作系统的概念
• 所有程序设计都是直接操控硬件
• 多程序串行执行

5.2 第二代计算机（批处理系统）

• 一下处理一批程序，但仍是串行的
• 批处理提升了计算机资源利用率

5.3 第三代计算机（多道技术）

硬件发展：IO + 运算功能集成在一台计算机里。

多道技术的核心——控制多个程序看起来同时运行：

CPU 切换时机：

1. 遇到 IO 操作一定会切换
2. 没遇到 IO 操作，也要切换（让 CPU 雨露均沾）

并发 vs 并行：

5.4 分时操作系统 CTTS

• 多个联机终端 + 多道技术
• 每个程序员/程序都以为自己独占计算机资源
• 多个程序并发运行

5.5 MULTICS → UNIX → Linux

• MULTICS：支持更多联机终端（项目最终破产）
• UNIX：Ken Thompson 开发的简易版 MULTICS，1970 年为 Unix 元年，TCP/IP 在 Unix 上开发测试
• GNU 运动 & GPL 开源协议：开放源代码，所有人可抄可改，修改后也必须开源
• Linux：芬兰大学生 Linus 开发，加入 GPL 协议

6. Linux 发行版

flowchart TD
    L[Linux 内核] --> R[RedHat 系]
    L --> D[Debian 系]
    L --> C[国产系]
    
    R --> F[Fedora]
    F --> RHEL[RHEL]
    RHEL --> CentOS[CentOS 7.9]
    F --> CS[CentOS Stream]
    CS --> RHEL2[新版 RHEL]
    
    D --> U[Ubuntu]
    
    R --> RL[Rocky Linux 9.3]

7. 本次课程安装的系统版本

• CentOS 7.9
• Rocky Linux 9.3
• Ubuntu 22.04.4 LTS

关于操作系统安装详见 Day 03。