基本微机设计
上图给出假想机的基本设计。中央处理单元(CPU)是进行算术和逻辑操作的部件，包含了有限数量的存储位置————寄存器，一个高频时钟，一个控制单元和一个算术单元。
时钟：对CPU内部操作与系统其他组件进行同步
控制单元：协调与机器指令执行的步骤序列。
算术逻辑单元：ALU执行算术运算，如加法和减法，以及逻辑运算，如AND,OR,NOT.
CPU通过主板上CPU插座的引脚与计算机其他部分相连。大部分引脚连接的是数据总线，控制总线和地址总线。
内存存储单元用于再程序运行时保存指令和数据。它接受来自CPU的数据请求，将数据从随机存储器传输到CPU并从cCPU传输到内存。由于所有的数据处理都是在CPU内进行，因此保存在内存中的程序在执行前需要被复制到CPU中。程序指令在复制到CPU时，可以一次复制一条，也可以一次复制多条。
指令执行周期
一个机器指令不会神奇的一下执行完成。cpu在执行一条机器指令时，需要经过预先定义好的步骤。，这些步骤被称为指令执行周期。假设现在指令寄存器中已经有了想要执行指令的地址，下面就是执行步骤：
- 1.cpu从被称为指令队列的内存区域取得指令，之后立即增加指令指针的值。
- 2.cpu对指令的二进制位模式进行译码。这种位模式可能辉表示该指令有操作数(输出值)。
- 3.如果有操作数，CPU就从寄存器和内存中取得操作数。有时，这步还包括了地址计算。
- 4.使用步骤3得到的操作数，cpu执行该指令。同时更新步伐状态标准位，如零标志，进位标志和溢出标志。
- 5.如果输出操作数也是该指令的一部分，则CPU还需要存放其执行结果
通常将上述听起来很复杂的过程简化为三个步骤：取指，译码和执行。
读取内存
计算机从内存读取数据比内部寄存器读取速度要慢很多。这是因为从内存读取一个值，需要经过以下几个步骤
- 将想要读取的值得地址放到地址总线上
- 设置处理器RD(读取)引脚(改变RD的值)
- 等待一个时钟周期给存储器芯片进行响应
- 将数据从数据总线复制到目标操作数。
上述每一步通常都需要一个时钟周期。时钟周期是基于处理器内固定速率时钟节拍的一种时间测量方法。计算机的CPU通常用时钟速率来描述。例如速率为1.2GHz意味着时钟节拍或振荡为每秒12亿次。因此每个时钟周期仅为1/12亿秒，4个时钟周期也是非常快的。但是与CPU寄存器相比还是太慢了，因为访问寄存器一般只需要1个时钟周期。
幸运的是，CPU的设计者很早之前就指出，因为大多数程序需要访问变量，计算机内存成了速度瓶顶。他们想出了一个聪明的方法来减少读写内存的时间，将大多数近期使用过的指令和数据放在高速缓存器（cache）中。其思想是，程序更可能的希望反复访问相同的内存和指令，因此cache保存这些值就能使它们快速访问到。当CPU开始执行一个程序，它会预先将后续(比如)一千条指令加载到cache中，这个行为是基于一种假设，即这些指令很快会被用到。如果这种情况重复发生在一个代码块里，则cache中就有相同的指令，当处理器能够在cache中发现想要的数据，称为cache命中，反之没找到就是cache未命中。
x86系列cache存储器有两种:
- 一级cache（主cache）位于CPU上
- 二级cache速度略慢
加载并执行程序
在程序执行之前，需要用一种工具将其加载到内存，这种工具程序被称为程序加载器(program loader)。加载后，操作系统必须将CPU指向程序入口，即程序开始执行的地址。以下步骤是对这一过程的详细分解
- 操作系统在当且磁盘下搜索程序的文件名，如果找不到，则在预定的列表(或者路径)下搜索文件名，当OS无法检索到文件名时，它就会发出一个错误信息
- 如果程序文件被找到，OS就访问磁盘目录的程序文件基本信息，包括文件大学，以及其在物理磁盘驱动器上的物理位置。
- OS确定内存中下一个可使用位置，将程序加载到内存，为该程序分配内存块，并将程序大小和位置信息加入到表中(有时也称描述表desciptor table)。另外OS可能会调整程序内存指针的值，使它们包括程序数据地址。
- OS开始执行程序第一条机器指令(即程序入口)。当程序开始执行后，就成为一个进程(process)。OS为这个进程分配一个标识号(进程ID)，用于执行期间对其进行跟踪。
- 进程自动运行。OS的工作是追踪进程的执行，并影响系统资源的请求。这些包括内存，磁盘文件和输入输出设备等。 进程结束后，就会从内存移除。
