【Linux详解】冯诺依曼架构 | 操作系统设计 | 斯坦福经典项目Pintos

目录

一. 冯诺依曼体系结构 (Von Neumann Architecture)

注意事项

存储器的意义：缓冲

数据流动示例

二. 操作系统 (Operating System)

操作系统的概念

操作系统的定位与目的

操作系统的管理

系统调用和库函数

操作系统的管理：

sum

三. 系统调用实现示例：Pintos 项目

Step 1：进入 examples 目录

Step 2：修改 Makefile 文件

Step 3：添加系统调用编号

Step 4：编写系统调用 API 原型

Step 5：定义参数调用宏

Step 6：实现系统调用功能

测试新系统调用

总结

文章手稿：

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文章手稿可见文末~

一. 冯诺依曼体系结构 (Von Neumann Architecture)

冯诺依曼体系结构是我们常见计算机系统的基础架构，它由以下几个核心组件组成：

 之间的关系：

注意事项

• 内存是 CPU 唯一能直接读写的数据存储器。
• 外设只能通过内存进行数据传输，即外设的数据必须先写入内存，然后由 CPU 读取；同样，CPU 输出数据也必须先写入内存，再由内存转交给外设。

存储器的意义：缓冲

• 技术角度：内存的速度介于 CPU 寄存器和外设之间，起到了缓冲的作用，避免了“木桶效应”，即系统性能被最慢的部分限制。
• 成本角度：内存的制造成本低于 CPU 寄存器，但性能却能满足大部分数据存储需求，从而实现性价比的优化。

数据流动示例

当你登录 QQ 与朋友聊天时，数据流动过程如下：

• 输入设备（键盘）将输入的数据先写入内存；
• CPU 从内存读取数据进行处理，并将处理结果再次写入内存；
• 输出设备（网卡）从内存读取数据并显示。

这种数据流动过程确保了各组件之间高效协作，提高了计算机系统的整体性能。

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二. 操作系统 (Operating System)

操作系统的概念

计算机的运行：

操作系统 (OS) 是管理计算机软硬件资源的基本程序集合。主要包括：

• 内核：负责进程管理、内存管理、文件管理和驱动管理。
• 其他程序：如函数库、Shell 程序等，提供额外的功能和用户接口。

操作系统的定位与目的

• 定位：操作系统是一款专门管理软硬件资源的软件。
• 目的：

  • 对上：为用户程序提供良好、稳定的运行环境。
  • 对下：高效管理硬件资源。

操作系统的管理

管理分为决策和执行两个过程：

• 决策：操作系统通过 数据+算法决定资源分配策略。
• 执行：通过系统调用和库函数实际操作硬件资源。

系统调用和库函数

系统调用是操作系统提供给用户程序的接口，用于请求内核服务。由于系统调用比较底层，功能基础，对用户要求高，因此开发者通常会封装系统调用形成库函数，简化开发工作。

操作系统的管理：

先描述再组织

用C语言编写的os来管理软硬件，再底层就是二进制了

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

maybe:计算机就是一种算法建模，处理数据的手段 

sum

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三. 系统调用实现示例：Pintos 项目

为了更好的实战性学习，下面我将演示如何在斯坦福操作系统大作业 Pintos 项目，添加用户级系统调用。学习如何额外实现一些功能到系统调用中以供用户使用。

准备工作：

1. 获取最新的 Pintos

git clone git://pintos-os.org/pintos-anon

2：安装 QUMU

sudo apt-get install qemu

3：把压缩文件 ftp 传输到云服务器上，并解压文件。

$ tar -xvf pintos_modified.tar.gz

Pintos 是一个教学操作系统项目，以下是添加自定义系统调用的步骤：

Step 1：进入 examples 目录

cd pintos/src/examples

Step 2：修改 Makefile 文件

在 Makefile 中添加新系统调用程序的文件名和资源文件：

PROGS = ... additional
additional_SRC = additional.c

Step 3：添加系统调用编号

在 syscall-nr.h 中添加新函数的系统调用编号：

enum {...SYS_FIBONACCI,SYS_MAX_OF_FOUR_INT,...
};

Step 4：编写系统调用 API 原型

在 syscall.h 中声明新函数：

int fibonacci(int n);
int max_of_four_int(int a, int b, int c, int d);

Step 5：定义参数调用宏

在 syscall.c 中定义 syscall4 宏：

#define syscall4(NUMBER, ARG0, ARG1, ARG2, ARG3) ...

Step 6：实现系统调用功能

在 userprog/syscall.c 中实现新系统调用：

int fibonacci(int n) {// 斐波那契数列实现
}int max_of_four_int(int a, int b, int c, int d) {// 四数最大值实现
}

测试新系统调用

运行 Pintos 进行测试：

pintos --filesys-size=2 -p ../examples/additional -a additional -- -f -q run 'additional 10 20 62 40'

总结

冯诺依曼体系结构和操作系统设计共同构成了现代计算机系统的基础。冯诺依曼体系通过明确的组件分工和数据流动规则，实现了高效的硬件资源利用。而操作系统通过系统调用和库函数，为用户程序提供了高效、稳定的执行环境。掌握这两者的原理和实现方法，对于理解和优化计算机系统具有重要意义。

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文章手稿：