单CPU计算机运行的模型

ID:58502 · 发表于 2017-1-19 21:21

计算机最基本模型是图灵模型（相关知识自行脑补），计算机将所有要处理的复杂任务分解到有限的基本的操作（指令），这个操作的集合就是指令集，指令集被设计固化到硬件（CPU或处理器）中。程序是为了解决特定问题而编制的一个指令序列，计算机的运行就是一个在时间上串行的一个指令流。
如果有2个程序需要在一台计算机上运行，常见的场景是先运行其中一个程序，运行结束后，再运行第二个程序。
第二部分：单CPU计算机中多个程序并发执行
多个程序并行的概念出现的很早，早期为了共享昂贵的计算机资源，人们试图使一个计算机为多个用户同时提供服务。多个程序并发执行，采取分时的方法来实现，称分时系统。
分时即将时间视为资源进行分配，将时间切分为人们感知上较小的一个单位，比如20毫秒（0.02秒），称为一个时间片。若程序1和程序2都要被执行，每个程序轮流被执行一个时间片。从宏观（感官）上来看，程序1和程序2是同时一起执行的，就像两台计算机在同步工作一样。
若程序1和程序2同步运行，计算机是这样进行的：先运行程序1，20毫秒后，切换到程序2，20毫秒后又切换到程序1，20毫秒后再次切换到程序2，如此反复… 一秒钟切换了50次，程序1和程序2都在运行、暂停、运行、暂停这样的状态中进行，由于切换时间够快，人的感官认为程序1和程序2是同步运行的。
第三部分：中断和定时器的作用
要实现分时的机制，离不开定时器和中断机制。定时器就是定时发出中断信号让计算机能够进入切换程序；中断机制是指计算机的硬件要能够支持在执行过程中被中断，跳转到指定的中断程序中去运行，并在运行结束后能够返回到被中断的点继续运行原来的程序。如果计算机硬件没有中断机制，则无法实现分时。
对于信号的输入处理，程序总是以顺序的方式进行的。比如按下一个按键，程序并不是立即就知道有按键被按下，而是要等到程序指针运行到按键处理程序时才会被发现。按键响应的速度取决于程序指针本身的运行速度和按键处理程序的长短及间隔距离，前者依赖于硬件主频，后者依赖于程序设计的水平。这种依赖程序主动去发现的信号输入方式一般称查询方式，与查询方式相对应的是中断方式。

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