了解一些计算机内幕

初次接触计算机时，可以将计算机看作是键盘、显示器、鼠标、光盘驱动器、主机箱及它们之间的连接线。然而随着与计算机接触的逐渐深入，我们会被计算机所拥有的强大功能所吸引。好奇心强的人就会思考：那个机箱里面到底是什么东西呢？为什么按动键盘、移动鼠标，屏幕上就有反应？

那个机箱里有很多重要的电子部件，这些部件及键盘、鼠标、显示器等外围设备被统称为硬件。而支配这些硬件工作的指令系统被称为软件。这些硬件中最宝贵的核心部件是中央处理器（CPU）—相当于人的大脑。CPU负责完成软件系统提交给它的指令。另一个宝贵的部件是内存。内存虽然叫“内”存，但不是CPU内部的存储器，而是CPU外部的存储器。那为什么叫内存呢？因为还有一种存储器是计算机硬件的一部分，那就是硬盘、光盘、U盘等存储设备。这些存储设备一般容量都非常大，有些是可以移动的。它们被称为外部存储器，简称外存，而和CPU一起安插在计算机主板上的存储器被称为内存。内存的容量、CPU的主频通常被看作是计算机配置水平的核心标志。CPU、内存及各种外围设备之间的逻辑关系如图1-10所示。

图1-10 CPU、内存及各种外围设备之间的逻辑关系

CPU内部的存储器被称为寄存器。这些寄存器中有一个叫IP的寄存器特别重要。IP寄存器就像CPU的眼睛，CPU只能执行IP所看到的指令。而这些指令及这些指令所要处理的数据实际就存放在内存中。内存就像一张信纸，上面写满了一行一行的机器指令和数据。CPU利用IP寄存器一行一行地阅读这些指令并按照指令操作。当然，要完成机器指令的操作，还需要其他多个寄存器的帮忙，这里就不多说了。

可以说，CPU和内存是计算机中最紧俏的资源，任何程序都想要尽量多地占有，然而任何一个程序都不可能完全占有这些资源，因为整个计算机系统的运行实际上是在被称为操作系统（Operating System，OS）的管理软件的控制之中。操作系统负责均衡这些紧俏资源的分配。

内存是按照字节连续编址的，相当于将一张白纸画上道道使之成为信纸一样。内存的基本单位是字节，而且这些字节是连续存放的。内存所包含的字节数被称为内存的容量。一个字节是8个二进制位，这在下一节会得到解释。

当我们给计算机通电启动时，CPU的IP寄存器一开始有一个固定值，它指向系统启动引导的一段指令，这段指令的主要任务是初始化各种部件和外围设备，使之处于可以工作的状态，并且寻找外部存储器中的引导区，将引导区中的指令写入固定一段内存中，并执行引导区的指令，这些指令则设置操作系统的初始状态，写入操作系统中的指令到固定内存中，这些指令负责计算机各种资源的管理，比如任务调度、内存管理、设备管理、时间管理等，最后启动一个叫做Shell的程序与用户打交道。这个Shell对于Windows系统来说就是桌面程序，对于光荣退役而又恋恋不舍地工作到今天的DOS来说，就是cmd.exe，也就是前面提到的DOS虚拟机。

正是因为有操作系统的存在，我们才可能比较简单快捷地运行一个程序。在“我的电脑”或者“资源管理器”中，双击任何一个可执行文件，该程序就立即得到运行。这个看似简单的操作背后隐藏着相当繁杂的过程。操作系统首先为该程序分配一定的内存，然后将该程序的部分指令写入到该内存中，并设定IP寄存器指向该程序的第一条指令，并开始顺序执行。由于在多任务的操作系统环境中，同时运行着多个程序，操作系统还要负责在一定间隔内将IP分配给其他程序，让其他程序占有CPU。如果程序在运行过程中，向系统申请内存，操作系统还需要划分出一块空闲的内存给申请者。这些过程都是隐藏着的，程序是看不到这些的。在每一个程序看来，它独自占有CPU和全部内存！只是假象哦。