Linux——冯 • 诺依曼体系结构操作系统初识

目录

1. 冯 • 诺依曼体系结构

1.1 冯•诺依曼体系结构推导

1.2 内存提高冯•诺依曼体系结构效率的方法

1.3 理解数据流动

2. 初步认识操作系统

2.1 操作系统的概念

2.2 设计OS的目的 

3. 操作系统的管理精髓

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1. 冯 • 诺依曼体系结构

1.1 冯•诺依曼体系结构推导

计算机的作用就是为了解决人的问题，而要解决问题，首先需要将数据或是问题输入到计算机当中，所以计算机必须要有输入设备。计算机解决完问题后还需要将计算结果输出显示出来，所以计算机必须要有输出设备。计算机通过输入设备得到数据，数据在计算机当中进行一系列的算术运算和逻辑运算后，通过输出设备进行输出。

但是计算机当中只有算术运算功能和逻辑运算功能是不够的，还需要有控制功能，控制何时从输入设备获取数据，何时输出数据到输出设备等。​

而我们后人就将这个具有算术运算功能、逻辑运算功能以及控制功能的这个模块称为中央处理器，简称CPU。

但是输入设备和输出设备相对于中央处理器来说是非常慢的，于是在当前这个体系整体呈现出来的就是，输入设备和输出设备很慢，而CPU很快，根据木桶原理，那么最终整个体系所呈现出来的速度将会是很慢的。

所以当前这个体系结构显然是不合适的，于是我们就不让输入设备和输出设备直接与CPU进行交互，而在这中间加入了内存。​

内存有个特点就是，比输入设备和输出设备要快很多，但是比CPU又要慢。

现在内存就处于慢设备和快设备之间，是一个不快也不慢的设备，能够在该体系结构当中就起到一个缓冲的作用。

现在该体系的运行流程就是：用户输入的数据先放到内存当中，CPU读取数据的时候就直接从内存当中读取，CPU处理完数据后又写回内存当中，然后内存再将数据输出到输出设备当中，最后由输出设备进行输出显示。

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这样就形成了最终的冯诺依曼体系结构。 

这里大家可以简单来理解，CPU在数据层面只和内存打交道。大家可以思考一个问题，为什么软件运行前必须先加载？本质上就是将数据加载到内存中，然后CPU才能进行处理，这是体系结构规定的。

注意： 这里存储器只是内存，不包括外存。

1.2 内存提高冯•诺依曼体系结构效率的方法

在这里大多数人有一个疑惑就是，先将输入设备的数据交给内存，再由内存将数据交给CPU，这个过程真的比CPU直接从输入设备获取数据更快吗？

我们首先需要知道：内存具有数据存储的能力。虽然内存的大小只有4G/8G，但是既然内存有大小，那么它就有预装数据的能力，而这就是提高该体系结构效率的秘诀。

CPU处理数据和内存加载数据是可以同时进行的。

1.3 理解数据流动

这里举例：你和你的朋友用电脑QQ聊天，要使用QQ，首先需要联网，而你和你的朋友的电脑都是冯诺依曼体系结构，在你向朋友发送消息这个过程中，你的电脑当中的键盘充当输入设备、显示器和网卡充当输出设备，你朋友的电脑当中的网卡充当输入设备、显示器充当输出设备。

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你在你的键盘上输入信息，键盘将信息加载到内存，此时显示器就可以从内存中拿到数据，进而你就可以看见自己输入的信息；

与此同时，键盘将信息加载到内存后，CPU要获取内存中的信息并进行处理，处理完后写回内存，此时你的电脑网卡就回从内存中获取相应的信息，再通过网络传输到对方的电脑。

这时对方电脑的网卡收到了信息并将其加载到内存中，然后他的电脑CPU在从内存中拿到数据并进行处理，处理完写回内存，最后对方的显示器在从内存中拿数据并显示到对方的电脑上。

如此一来，我们就实现了数据的流动。

2. 初步认识操作系统

2.1 操作系统的概念

任何计算机系统都包含⼀个基本的程序集合，称为操作系统(OS)。

操作系统是一款进行软硬件管理的软件。它包括：

• 内核（进程管理，内存管理，文件管理，驱动管理）

• 其他程序（例如函数库，shell程序等等）

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2.2 设计OS的目的 

• 对下，与硬件交互，管理所有的软硬件资源。

• 对上，为用户程序（应用程序）提供⼀个良好的执行环境。

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通过观察上面的图，大家可以发现：

硬件之上还有一层驱动层，驱动层的主要工作就是单独去控制底层硬件的。

操作系统主要进行以下四项管理：

1. 内存管理：内存分配、内存共享、内存保护以及内存扩张等等。
2. 驱动管理：对计算机设备驱动驱动程序的分类、更新、删除等操作。
3. 文件管理：文件存储空间的管理、目录管理、文件操作管理以及文件保护等等。
4. 进程管理：其工作主要是进程的调度。

而操作系统再往上就是我们所处的位置，在这里我们就可以用命令行或是图形化界面进行各种操作，这一层被称为用户层。

但操作系统为了保护自己，对上只暴露了一些接口，而不会让用户直接访问操作系统，这一系列接口被称为系统调用接口。

但这些系统调用接口对我们普通用户来说使用成本又太高了，因为要使用系统调用前提条件是你得对系统有一定了解。所以在系统调用接口之上又构建出了一批库，例如libc和libc++。实际上在语言级别上使用的各种库，就是封装了系统调用接口的，形成用户调用接口。

总结来说：

1.软硬件体系结构是层状结构。

2. 要访问操作系统，就必须经过系统调用（本质上就是函数，系统调用的）。

3. 我们的程序，只要它访问了硬件，就必须贯穿整个软硬件体系结构。

3. 操作系统的管理精髓

这里我们都知道操作系统是一名管理大师，那么它如何对我们的数据进行有效的管理呢？

这里大家记住这六字真言：先描述，再组织！

怎么来理解这句话呢？大家来想这样一个场景，校长是怎么管理学生的？

首先大家来思考，校长管理学生，需要和每个学生都见面吗？显然，这不太可能，也就是说管理者和被管理者是不需要见面的，那么如此一来，校长怎么管呢？

其实这里大家应该也能想到，校长虽然见不着学生，但是他知道每个学生的信息，所以他可以通过学生的数据对每个学生进行有效的管理。

当学生的数量多起来了，校长就可以将全部学生的信息组织起来，当然组织的方式有很多种（链表、顺序表、树），而每种组织方式都有其自己的优势，于是就有了一门课程专门教我们管理数据的方式，那就是数据结构。这里我们假设校长以双链表的形式将学生的信息组织起来。

对于计算机管理硬件

1. 描述起来，用struct结构体 

2. 组织起来，用链表或其他高效的数据结构

这里我们来延申一下，我们知道C++是面向对象的编程语言，那为什么C++中要引入类这个概念呢？其实就是为了通过类描述对象的属性，后面C++中引入STL，本质上就是通过STL中的算法和数据结构来对类对象进行管理，所以这里也是体现了“先描述，再组织”的思想。