Linux冯诺依曼体系结构和操作系统概念

Posted 2023-04-05 Corwttaml

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Linux冯诺依曼体系结构和操作系统概念相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

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🎪 冯诺依曼体系结构
🎪 操作系统概念理解

🎪 冯诺依曼体系结构

数学家冯·诺依曼提出了计算机制造的三个基本原则，即采用二进制逻辑、程序存储执行以及计算机由五个部分组成（运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备），这套理论被称为冯·诺依曼体系结构。

🚀1.体系概述

现代计算机发展所遵循的基本结构形式始终是冯·诺依曼机结构。这种结构特点是“程序存储，共享数据，顺序执行”，需要 CPU 从存储器取出指令和数据进行相应的计算。

输入设备：包含键盘，话筒，摄像头，网卡，磁盘(I)
存储器：包含内存(寄存器、高速缓冲存储器以及主存储器，操作系统关机数据不复存在)和外存(硬盘，软盘，CD，磁带，操作系统关机数据也可保存)
CPU：包含运算器(数据流计算交换)和控制器(接收指令和发出控制指令)
输出设备：包含显示器，磁盘，网卡，声卡声响

比如我们上qq聊天，我们需要把聊天内容通过键盘输入给计算机(通过键盘这种输入设备)，然后消息发出，显示到对方屏幕上(这时对方显示器就是输出设备)

而且它们的运行速度也有很大差异，在市面上可以几百块钱可以买到512G或者1T的硬盘，而内存只能买到8G或者12G的，显然同等存储空间下内存比硬盘要贵很多，那么同等地，它的速度也会比硬盘或者外设快很多。

而越昂贵，它的速度也就越块，运行速度：CPU >> 内存 >> 外设

🚀2.CPU和内存的数据交换

既然前面说了CPU速度是最快的，那么为什么还要存在内存呢，直接把CPU连到外设是不是会大大提升效率？

答案是否定的，举个例子来说，CPU工作的速度是纳秒级，而内存是微秒级，最后外设是毫秒级，如果CPU直接跟外设打交道，那么将是纳秒跟微秒的对比，CPU造价最贵，自然速度也就最快，那么它的时间将是很昂贵的，一个外设输入就会占用很多CPU的时间，这就跟木桶原理是一样的

木桶所能盛放的最大水量取决于最短的那块木板，而不是最长的那块，所以CPU如果直接跟外设打交道，那么计算机的运行速度完全取决于外设的速度，而CPU那么快的速度显然是浪费掉了，这时便引入了内存。

内存的访问速度比外设快，但是又比CPU慢，CPU可以直接从内存中拿到数据，放进CPU计算的同时，DMA可以把外设的东西调到内存，下次CPU就可以直接从内存中拿取数据。

这就是为什么我们打开一个程序的时候，需要先把数据加载到内存中，然后再交给CPU运行，因为这是体系结构决定的

结论：在数据层面，CPU一般不和外设沟通，而是只和内存打交道

🚀3.体系结构中数据的流动

我们下面模拟一下qq消息在两台主机中的传递：

数据先由张三的键盘输入"晚安"，然后该消息被刷新到我们自己的显示器上，然后点击发送，这期间由DMA将数据调入内存，内存中数据在调入CPU进行加密，然后将加密后的数据返回给网卡，网卡在通过网络进行输出给另一台主机，另一台主机的网卡(此时网卡为输入设备)接收到数据，将数据给CPU进行解密，最后显示到对方李四的显示器上。

结论：在数据层面上，外设一般不直接和CPU打交道，而是和内存打交道

🎪 操作系统概念理解

在计算机中，操作系统是其最基本也是最为重要的基础性系统软件。从计算机用户的角度来说，计算机操作系统体现为其提供的各项服务；从程序员的角度来说，其主要是指用户登录的界面或者接口；如果从设计人员的角度来说，就是指各式各样模块和单元之间的联系。事实上，全新操作系统的设计和改良的关键工作就是对体系结构的设计，经过几十年以来的发展，计算机操作系统已经由一开始的简单控制循环体发展成为较为复杂的分布式操作系统，再加上计算机用户需求的愈发多样化，计算机操作系统已经成为既复杂而又庞大的计算机软件系统之一

🚀1.简述

操作系统（OS）是一组主管并控制计算机操作、运用和运行硬件、软件资源和提供公共服务来组织用户交互的相互关联的系统软件程序。根据运行的环境，操作系统可以分为桌面操作系统，手机操作系统，服务器操作系统，嵌入式操作系统等

操作系统包含：

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）

🚀2.设计目的

与硬件交互，管理所有的软硬件资源
为用户程序（应用程序）提供一个良好的执行环境

🚀3.定位

一款进行软硬件资源管理的软件

🚀4.理解

我们应该如何理解操作系统对硬件做管理呢？比如在IT公司中，有boss，还很多个团队，每个团队有队长和队员，我们可以拿boss - 队长 - 队员来解释。

在每个IT公司中，boss会做决策，比如开发某款产品，然后他会把任务下发给对应的团队，团队队长便会根据这个来组织队员进行软件的开发：

在以上的描述中：

boss：决策(管理者)
队长：决策被执行
队员：参与执行(被管理者)

在上述例子中我们看到，boss是不需要跟队员直接沟通达到执行决策的目的的，也就是：1.管理者和被管理者是不需要直接沟通的

那既然管理者和别管理者不需要直接沟通，那怎么做到管理的呢？我们想像一下，如果IT公司的员工订了一份外卖，此时外卖小哥把外卖送到了员工的办公桌上，那么他进入了公司大楼，但他是公司的员工吗？显然不是，要被定义为公司员工，得在公司电脑上能查到该员工的信息才行，不是进入公司大楼的就是该公司员工。同样的，假如说一个员工被炒鱿鱼了，他人离开公司就行了吗？显然不是，该公司需要删除这个员工的信息才行。所以说管理的本质是：2.对被管理对象的数据做管理

那么boss怎么拿到员工数据呢？这就需要每个团队的队长反馈队员数据给boss，boss才能拿到员工数据。也就是3.管理者通过一种媒介(这里是队长)拿到被管理者数据

所以说我们操作系统也是如此：

操作系统通过硬件驱动实现对硬件进行管理。

🚀5.管理的本质

正如我们上文所说，队长把队员数据交给boss，那么boss怎么看呢，一个大的IT公司至少有几百上千人，boss如果想查找业绩最低的人员开除，那岂不是得找很久？于是boss就想了一个办法：把所有队员的数据用一个类描述出来，比如叫Programmer，这个类里面有成员姓名(name)，年龄(age)，业绩(achievement)等基本信息，这就叫数据的描述然后每个人员的信息我们便可以清楚的看到：

如果我们要查找人员信息呢，我们得用一种数据结构来组织每个人员的基本信息
比如boss想用二叉树来组织：

此时我们只需要遍历这棵二叉树即可实现对员工信息的查找，操作系统也是，比如进程管理，操作系统会用PCB来描述进程的结构，又比如内存管理，操作系统会用页表来管理内存

总之，管理就是先描述，在组织，这句话会贯穿我们Linux的整个学习过程

🚀6.系统调用

操作系统的作用是对下提供管理好软硬件资源，、对上给用户提供良好(安全，高效，稳定，功能丰富)的良好环境，“系统调用”是操作系统提供给应用程序（程序员/编程人员）使用的接口，可以理解为一种可供应用程序调用的特殊函数，应用程序可以发出系统调用请求来获得操作系统的服务。会使处理器从用户态进入核心态

我们所熟知的系统调用有：

GUI(图形化界面)
shell和命令行
C函数(stdio.h)

Linux冯诺依曼体系结构与操作系统概念理解

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一、前言

小伙伴们，新年好！距离上次创作已经过去半个月了， $an d u in$ 最近也去学习了一些新知识，但是目前还在整理笔记，所以估计得等到三月份才能逐渐写出博客来。

但是 $an d u in$ 也不能闲着，于是今天我就为大家带来一篇干货文章。本篇文章对于冯诺依曼体系结构作出了详细讲解，特别是对于内存、数据流动；另一部分则是 $an d u in$ 对于操作系统的一些理解，对于其中的管理我也做出了剖析，相信看完一定会有所收获。

话不多说，让我们赶快开始学习吧！

二、冯诺依曼体系结构

1、体系简述

学习过计算机组成原理的小伙伴们应该对冯诺依曼体系结构并不陌生。冯诺依曼体系结构是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构。

我们常见的计算机，如笔记本，或是不常见的服务器，基本都遵守冯诺依曼体系。

目前的计算机，单靠计算机本身是无法完成交互工作的，所以需要 人将数据“喂”计算机 ，说白了就是 输入设备 ；同样的 计算机也需要把处理数据的结果呈现给用户 ，说白了就是 输出设备 。

而这一过程中依赖的两个设备就是体系结构中的输入输出设备，两种常见的设备如下：

输入设备：键盘、话筒、摄像头、网卡、磁盘、鼠标…
输出设备：显示器、磁盘、网卡、声卡、音箱…

对于同一个设备而言，可以同时充当输入设备和输出设备，例如磁盘：

磁盘上的文件就是用户保存的文件。用户保存就说明 采集了用户的数据 ，再将文件进行运行，如：计算机计算、加密等… ，这一过程就是输入。

同样的，用户在磁盘上下载了一个文件，例如一部电影，那么磁盘上的文件需要被用户观看，这就相当于把 结果呈现给用户 ，这一过程为输出。

而对于结构中的 存储器、运算器、控制器 我们也需要拎一下概念：

存储器不是磁盘，而是内存
计算机的本质工作是计算，所以一定需要运算器和控制器，它们被合称为 cpu

输入、输出设备被称为外围设备，即外设 ：

外设包含输入输出，所以外设一般都会比较慢，比如磁盘。而内存则在磁盘的基准上高了许多量级。

但是外设比较便宜，比如买电脑时，电脑磁盘动不动 512g, 1t ，但是内存只有 8, 16g 。

对于它们两个都可以存储数据，但是对于内存存储数据是有时效性的。内存属于掉电易失介质 ，若突然关机，内存数据就会丢失；但是对于磁盘则不会。

但是内存储存数据的时效性短，为什么价格还是比外设贵？因为一个字，快。

2、内存的重要性

可能大家会有疑惑，计算机中内存并不是最快的，cpu速度是最快的 ，那么既然这样，为什么要有内存呢？直接舍弃内存，让输入设备直接连到 cpu 不行吗？比如这样：

我让输入设备通过 cpu 计算后，直接输出，这样岂不是更快？

方案确实可以，但是会有代价。 因为外设是极其慢的，而 cpu 太快了。

这就涉及到一个理论 —— 木桶原理 ：

木桶原理：一只木桶盛水的多少，并不取决于木桶壁上最高的那块木板，而是取决于最短的那块。

对于体系结构来说也是这样。如果对应的输入很慢，但是 cpu 很快，整体表现出来的整体效率就以外设为主。

所以这时，冯诺依曼大神就引入了内存。内存比外设快的多，但是比 cpu 慢。

举个例子，外设可以理解为毫秒级，内存是微秒级，cpu 是纳秒级。这中间的差距都很大，但是可以互补。

内存可以临时存储数据，并且不慢。而在 cpu 计算数据的同时，DMA又可以把外设的数据搬到内存，等 cpu 把数据执行完毕后，再直接执行刚刚搬进来的数据。

因为内存的存在，就可以大大缓解木桶原理带来的效率下降。

所以这里得出一个结论：在数据层面，一般 cpu 不和外设直接沟通，而是直接和内存打交道，由此看出内存的重要性。

那么有没有可以代替内存的存储设备？

通过上面的了解，我们发现内存是没有制造数据的能力的，它就像一个驿站，用来中转数据。但是既然是一个中转站的功能，如果谈到速度和功能，cpu 中还有个 寄存器 ，它的速度是极快的，那么 为什么不拿寄存器作为存储单元来缓解木桶效应？

一个字：贵，寄存器在 cpu 中只有极小部分。我们当前的计算机实际上是通过技术手段打造的一个性价比产品，因为一些存储设备太贵了。所以就用内存来平衡内设和 cpu 之间的速度不均衡。从而达到既能完成工作，并且效率均衡且便宜的特点。

3、硬件方案解释软件行为

说到这儿，我们其实可以理解之前一些难以解答的问题：

为什么一个程序必须要选加载到内存才能执行？

我们自己写的 c 代码，生成的可执行程序就是一个文件，是文件就在磁盘中保存，而磁盘属于外设。

而当可执行程序运行时，需要 cpu 帮忙执行，而现在的计算机符合冯诺依曼体系结构，所以 cpu 访问你的代码和数据时就必须问内存要，所以数据需要被加载到内存，以便让 cpu 读取数据！

而程序加载到内存在 windows 上是双击，在 linux 上则是 ./ 运行。

而这一切的一切就是因为体系结构，这就是用 硬件方案解释软件行为 。

4、体系结构中的数据流动

学习了冯诺依曼体系结构，我们再来谈谈数据之间的流向。

假设你和你的朋友在聊天，当你向你朋友发送 “吃了吗” 信息时，数据时在体系结构中如何流动的？

假设你和你的朋友的点电脑都符合冯诺依曼体系结构，且不考虑中间网络层的传输，假定发送出去就能被接收：

对于 $an d u in$ 也就是我，我通过输入设备（键盘）输入“吃了吗”，从硬件层面上数据被输入到内存，软件层面上数据被输入到 qq 。

这里我们 只考虑硬件层面 ，当数据输入后，数据被加载到内存这时数据就要进行计算(例如加密)，这时 cpu 就需要从内存中拿数据，再计算完毕之后，将数据返回内存，数据再被显示到输出设备。

而这里有 两个刷新动作 ，一个是数据当被发送时，显示在自己电脑的显示框，这种很简单。

而 第二个刷新动作就是把数据刷新到 $G u l d an$ 的电脑上 ，这其中的流动规则如下：

当 $an d u in$ 的数据输出后，输出到输出设备（网卡）上，网卡再刷新到网络。 $G u l d an$ 通过输入设备（网卡），将数据加载到内存中，cpu计算(解密操作)，再写回内存，再次刷新数据到输出设备（对方显示屏）上。

而这过程实际上是符合体系结构的，并不是说，当信息发送出去后，就直接一步到位到 $G u l d an$ 的显示屏。

而对于一些加密，解密，以及将数据从外设读到内存这些都是软件提供的，这些我们暂时不要考虑。

讲到这里再提一嘴：其实从外设获取数据，我们也天天在用，比如 c 语言的 scanf ，就是从外设读数据的。所以这里就不难理解为啥软件可以获得外设的输入。

至此我们就得出结论：数据在流动的时候必须从外设到达内存，并不能直接到达目标地点，完全遵守冯诺依曼体系结构。说白了就是 外设只和内存打交道。

5、拓展

实际上对于外设只和内存打交道在之前是有歧义的：

因为早期芯片集成数据的能力较差。会把输入设备的数据直接打给 cpu ，读取的时候再通过 cpu 把数据放到内存里。再把数据缓存起来，需要使用的时候再把数据拿出来。

而现在 cpu 里面通常还带了 dma 芯片，就是专门把外设数据搬到内存的，这样外设和 cpu 和外设之间就无需直接沟通了，所以咱们当前认为 cpu 不直接和外设沟通。

还有一点需要补充的是：

外设和cpu虽然数据层面不直接交互，但是对于一些控制信号，它们之间是要交涉的，比如外设要给cpu发控制信号，需要让cpu帮外设做事情。但是当前我们还不考虑这点，还是考虑数据层面上，cpu和外设不直接沟通。

而冯诺依曼我们就聊到这儿。

三、操作系统简述

我们知道 Linux 是一个操作系统，但是什么是操作系统？对于这个概念我们了解起来也许模棱两可，所以今天的另一个话题就是谈谈操作系统。

首先看一下计算机体系图，接下来的内容会涉及到体系中的内容：

1、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，也就是 OS 。如果笼统的理解操作系统，它就包含两部分：

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）

2、重要性

当讲冯诺依曼的时候，我们说过，数据是被加载到内存中，再供 cpu 进行内存读取的。

但是中间涉及了一大堆工作，例如，预加载的数据是哪一部分数据，内存如果不够了这时候怎么办？

随便抛出一个数据可能我们都说不出来，而这些工作其实都是软件做的，这个软件就是操作系统。

打个比方，硬件就好比是医院里的检测仪器，输出仪器。但是只有机器能看病吗？肯定不行，还得需要医生，而这其中面临很多问题，比如症状的分流，人员的分配，病人找到医生的方式，这么些抽象的问题仅仅依靠仪器是不能处理的。

这就说明软件是必须的，而这些繁杂的工作都由操作系统来处理。

3、定位

接下来我们看看 OS 的定位。其实 OS 定位很简单，它就是一款软件。

所有程序想要运行，都必须加载到内存中，而在开机加载的时候操作系统就被加载到了内存中，这样软件就可以被 cpu 跑了。

操作系统本身是一款对软硬件资源进行管理的软件。

4、如何管理

对于管理，一共有 三个结论 ，我们通过例子中间穿插着概念来感性理解它们：

首先明确一下管理者和被管理者 ：

日常生活中，我们需要进行各种决策（想干什么）和执行（做什么）。

而在一个组织结构中，真正的管理者做的就是决策。其实这么说还不够详细，应该说管理者不是完全不做执行，但是管理者大部分时间都在决策。

若当前背景是一个学校，我们就将学校抽象成三部分：校长、辅导员、学生，如下：

而辅导员和校长都可以进行管理，但是他们谁是真正的管理者？校长，因为校长本身的工作大部分都在决策。

举个例子：

比如学校举办一个运动会。对于运动会场地，经费都是校长来决策，而剩下的就是学生执行。

那么辅导员再干什么？辅导员就是把校长的决策落地，部分决策让学生去干什么，部分执行去执行校长的决策。

也就是校长把决策给辅导员，辅导员执行嚣张的决策。相当于辅导员做的就是 伪决策 。

所以辅导员不是一个真正的管理者，辅导员只是对校长的决策做落地的角色，而学生就是纯粹的执行者。

所以校长才是真正的执行者 。

通过这一过程，角色就划分成了三块：

而这一过程校长（管理者）和被管理者（学生）见过面了吗？很明显没有。可能在大学中，学生见到校长也就是开学典礼的时候，只是一面之缘。

到这里，我们得出第一个结论：管理者和被管理者是不需要直接沟通的。

问题来了，既然管理者和被管理者没有直接沟通，它是如何管理我的？

再来举个例子：

比如说你的父母，在高中可能可以天天看着你，属于直接管理。但是上了大学父母不能进行直接管理，但是可以通过别人，例如你的室友，你的辅导员，获得你最近的行动，这样也可以进行管理。

而这一行为不就是管理者（父母）和被管理者（我）没有直接沟通，但是依然管理了。而管理方式就是通过数据。

至此，我们得出了第二个结论：管理的本质是对被管理对象的数据做管理。

通过这个结论，又衍生出了两个问题：

1）管理者是如何拿到被管理者的数据的 ？

这就好比校长从没见过我，但是它是如何管理到我的，怎么拿到我的数据？

这个过程就需要辅导员来进行，辅导员拿到数据，然后把数据给校长。

2）如果被管理者基数庞大，管理者是如何处理海量数据，筛选出特定数据？

虽然学生的数据不一样，但是学生的属性信息类型是一样的，比如：姓名、年级、电话、成绩、紧急联系人 …

而如果，我是说如果，校长一看这个，就想起了结构体，那么完全可以 把信息抽象成一个结构体 $struct\\ stu$ 。而对于信息管理，可以将其抽象成一个链表，这时每个学生的信息就是一个节点：

这时如果要筛选出数据，就只需要根据关键值筛选就可以，从而将管理行为转换成对链表的管理。

而如果需要对学生进行信息删除，就只需要找到节点，然后释放，之后这个节点就被移除了，这个节点也消失，不需要再管理了。

这时决策就转换成对链表的增删查改。