【Linux的进程篇章 - 冯诺依曼的体系结构】

Linux冯诺依曼体系结构理解

前言：
前篇开始进行了解学习Linux的基础知识，这篇介绍开始学习LInux的进程概念、冯诺依曼和操作系统的激烈等相关内容，深入地了解这个强大的开源操作系统。
/知识点汇总/

1、冯诺依曼体系结构

前言：
冯诺依曼体系结构，也称为普林斯顿结构，是计算机系统设计的基本概念之一。
我们常见的计算机，如笔记本。我们不常见的计算机，如服务器，大部分都遵守冯诺依曼体系。
截至目前，我们所认识的计算机，都是有一个个的硬件组件组成。
输入单元：包括键盘, 鼠标，扫描仪, 写字板等
中央处理器(CPU)：含有运算器和控制器等
输出单元：显示器，打印机等

关于冯诺依曼，必须强调几点：
这里的存储器指的是内存。
不考虑缓存情况，这里的CPU能且只能对内存进行读写，不能访问外设(输入或输出设备)，
外设(输入或输出设备)要输入或者输出数据，也只能写入内存或者从内存中读取。
一句话，所有设备都只能直接和内存打交道。
对冯诺依曼的理解，不能停留在概念上，要深入到对软件数据流理解上。

1.1、冯诺依曼体系结构

1.输入设备：包括键盘, 鼠标，扫描仪, 写字板等
2.输出设备：显示器、声卡、网卡…
3.存储器：内存
4.中央处理器(运算器+控制器)：提供计算和指令控制

1.2、硬件层面

1.硬件设备都有电路连接(主板电路)，相互连接。
2.数据是在计算机体系结构中是进行流动的，设备间的数据流动，数据处理，加工等，本质是从一个设备到另一个设备的“拷贝”。
3.其次，中央处理器的运算是很快的，那么设备间数据的传输效率的快慢，就决定了计算机整个体系的基本效率。

然后，计算机的效率问题，就追究于那部分的设备导致数据的拷贝效率低，拖后腿？
1.存储金字塔，距离CPU越近(寄存器)，效率越高，成本也高。
2.所以，提出木桶原理，从这个就角度出发，可知CPU很多时候在等，等待其它设备的工作。

那么为什么家庭电脑不统一使用最快的寄存器制造呢？而是使用一个存储器（内存）来相对提高效率呢？
答：考虑成本、受众人群、性价比，从而才能推动互联网等经济效益。性价比。

1.3、数据层面

在硬件数据流动角度，在数据层面：
1.CPU不和外设直接打交道，CPU只和内存打交道；
2.外设输入和输出的数据，不是直接给CPU的，而是先要放入内存中。

1.4、那么冯诺依曼体系能干什么呢？

1.程序的运行，为什么需要加载到内存中?
程序 = 代码 + 数据 —> 程序的数据，都要被CPU执行和访问

2.程序还没有被加载到内存时，存储在哪里呢？
磁盘等存储器

知识点：
关键在于因为冯诺依曼体系结构规定，CPU只会从内存中读取/处理“数据”。所以会先加载到内存。
另外，那么数据会被加载到内存的哪里，然后怎么继续处理，都是交给了操作系统软件决定的，不归硬件管理了。

在实际应用场景中，两个人通过交友软件互相发送信息的场景中，整个消息的数据流动过程是怎么样的？
答：本质是通过冯诺依曼体系。所以数据的流动，硬件层面本质都是通过的冯诺依曼体系结构完成数据的“拷贝”。

2、操作系统(Operastor System)

2.1、概念

是一款软件，是一款软硬件资源 管理 的软件。
广义的角度：操作系统的内核 + 操作系统的外壳程序(用户自开发等应用软件，给用户提供使用操作系统的方式)
狭义的角度：只是操作系统的内核

2.2、操作系统层的核心功能

1.进程管理 ：

1.进程管理是指操作系统对正在执行的程序实例的管理。
2.每个进程都有自己的地址空间、代码、数据和执行状态，可以独立运行或与其他进程进行通信。
3.进程管理包括进程的创建、调度、同步与通信以及终止等操作。
4.操作系统根据用户的请求或系统的需要创建新进程，并为其分配资源。
5.调度算法决定哪个进程可以占用CPU并执行，目标是提高系统的吞吐量、响应时间和公平性。
6.为了保证数据的一致性和避免竞态条件，操作系统提供同步机制和通信方式。

2.内存管理 ：

1.内存管理涉及对计算机内存资源的分配、保护和共享。
2.操作系统需要确保每个程序都能获得足够的内存空间来执行，同时防止程序之间的内存冲突。
3.内存管理通常包括内存的分配与回收、内存的保护与隔离以及内存的共享与交换等功能。
4.此外，内存管理还涉及虚拟内存技术，通过该技术，操作系统可以将一部分硬盘空间作为内存使用，从而扩展了系统的可用内存。

3.文件系统：

1.文件系统是操作系统用于组织和管理存储设备（如磁盘）上的文件和数据的方法和数据结构。
2.它负责为文件分配存储空间、建立文件索引、维护文件属性以及提供文件访问接口。
3.文件系统使得用户可以方便地创建、读取、修改和删除文件，同时还提供数据保护和恢复机制，确保文件的安全性和完整性。

4.驱动管理：

1.驱动管理涉及对计算机硬件设备的驱动程序的安装、配置和管理。
2.驱动程序是操作系统与硬件设备之间的接口，它使得操作系统能够识别和控制硬件设备。
3.驱动管理包括驱动程序的加载与卸载、硬件设备的识别与配置以及设备错误的处理等功能。
4.通过有效的驱动管理，操作系统可以确保硬件设备的正常运行，提高系统的稳定性和性能。

但是操作系统不会直接与硬件进行访问和交互，因为当硬件层面发生改变，那么操作系统就得跟着改变。
所以，在操作系统与硬件层之间还有一个，由开发人员、厂商等开发的，驱动层.
驱动层目的不是管理，而是为每个硬件提供其与操作系统的驱动接口，使得操作系统能访问硬件层。
最底层为硬件层，组织的方式就是冯诺依曼体系结构，有键盘、显示器、网卡、内存、磁盘…等硬件设备。

3、进程的初步理解

进程是操作系统中的一个核心概念，它是对正在运行的程序的一个抽象描述。
简单来说，进程是程序执行的一个实例，它包含了程序执行所需的代码、数据和系统资源，以及程序执行的状态信息。

以下是关于进程的一些初步理解：

1.动态性：进程是程序的一次执行过程，它是动态的。与程序（静态的、存储在磁盘上的指令和数据集合）不同，进程是程序在计算机上的一次运行活动。每次运行程序时，都会创建一个新的进程。
2.独立性：每个进程都有其独立的地址空间，这意味着一个进程不能直接访问另一个进程的变量和数据结构。这种独立性确保了进程之间的隔离，防止了不同进程之间的数据冲突。
3.并发性：多个进程可以在操作系统中同时运行，它们之间可以并发执行。操作系统通过时间片轮转、优先级调度等方式来管理这些并发进程，确保它们能够公平地共享系统资源。
4.状态性：进程具有多种状态，如新建、就绪、运行、阻塞和终止等。这些状态描述了进程在其生命周期中的不同阶段。操作系统通过维护进程的状态信息来管理进程的执行。
5.资源分配：进程是系统资源分配的基本单位。操作系统根据进程的需求为其分配CPU时间、内存空间、I/O设备等资源。进程通过系统调用与操作系统进行交互，请求和释放资源。
6.通信与同步：进程之间可以通过各种方式进行通信和同步，如管道、消息队列、共享内存等。这些机制使得进程能够协同工作，完成复杂的任务。
7.生命周期：进程从创建开始，经历运行、等待（如I/O操作）等状态，最终因完成任务或发生错误而终止。在进程终止时，操作系统会回收其占用的资源。

了解进程的概念和特性对于理解操作系统的运行原理、进行程序设计和系统调优等方面都非常重要。通过合理地管理进程，操作系统可以确保系统的稳定性、安全性和性能。