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【Linux仓库】冯诺依曼体系结构与操作系统【进程·壹】

雪夜

雪夜

发布时间:2025-08-12 11:02:23

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来源于php中文网

原创

冯诺依曼体系结构

我们常⻅的计算机,如笔记本。我们不常⻅的计算机,如服务器, ⼤部分都遵守冯诺依曼体系 。

【Linux仓库】冯诺依曼体系结构与操作系统【进程·壹】
存储器是什么? 是内存CPU-运算器:算数运算,逻辑运算CPU-控制器::执行代码,进行逻辑控制的输入设备:键盘,摄像头,磁盘,网卡.输出设备:显示器,音响,磁盘,网卡....输入设备:键盘,摄像头,磁盘,网卡....输出设备:显示器,音响,磁盘,网卡.…

有些设备既属于输入设备,又属于输出设备,如:磁盘、ssd、网卡(都属于输入输出范畴)。

为何要加载到内存

我们总说C/C++中要可执行必须先加载到内存里?但为啥要加载到内存里呢?这是由冯诺依曼体系结构决定的。

CPU在数据层面,不和外设打交道,只会和内存打交道! 外设不和CPU打交道,只能通过内存打交道。

一般而言,离CPU越近其效率就越高,因此 输入输出(外存)

内存本质:外设和CPU的缓存计算机效率,以内存的速度为主!!!设计的意义

正常来说,其体系结构不应该如下图所设么?为何还要通过内存这个中转站来和CPU打交道呢?

【Linux仓库】冯诺依曼体系结构与操作系统【进程·壹】
CPU 运算速度极快,而输入输出设备(如磁盘、网卡等)速度相对很慢。若没有内存,CPU 需频繁等待外设数据,整体效率受限于外设。内存读写速度远高于外设,可预先加载数据,CPU 直接从内存获取数据运算,使计算机效率以内存速度为主,大幅提升性能。内存的造价相对适中,相比更高速的存储(如寄存器)成本低很多,同时又远快于硬盘等输入输出设备。若直接提升输入输出设备速度来匹配 CPU,成本将极高(如采用高速存储介质替代硬盘等),而内存可在可接受的成本范围内,提升计算机整体运行效率。 二者互传文件

数据流动的本质:其实就是拷贝。

计算机的整体效率,本质就是在设备间拷贝的效率!!!

下图是打开一个文件时的结构走向。

【Linux仓库】冯诺依曼体系结构与操作系统【进程·壹】

微信在日常生活中必不可少,那么我们在微信上和某位朋友聊天开始,数据又是如何流动的呢?

将键盘文件的数据拷贝到内存中,内存与CPU打交道进行加密计算,再经过输出设备如网卡,中间经过网络(需要符合协议),网络再将数据写入到朋友的输入设备:网卡中,网卡将数据拷贝到内存中,经过CPU进行解密,再将解密后的数据写入到显示器文件中。

【Linux仓库】冯诺依曼体系结构与操作系统【进程·壹】

那么如果二者之间互传文件,又该如何理解呢?数据又是如何流动的呢?流动过程是类似的。

【Linux仓库】冯诺依曼体系结构与操作系统【进程·壹】
操作系统

操作系统分为广义上操作系统和狭义上的操作系统,这里规定我们所说的操作系统是指狭义上的操作系统,如Linux内核。

狭义上操作系统:Linux内核、Windows内核等等

广义上操作系统:shell外壳、预装系统级软件等。需要明白的是用户不擅长与内核进行打交道,因此需要在内核外套一层软件层如:shell外壳。用户可以通过shell外壳与操作系统进行打交道!

任何计算机问题,都可以通过添加一层软件层来解决。

【Linux仓库】冯诺依曼体系结构与操作系统【进程·壹】
操作系统是一款对下进行软硬件资源管理的软件!!!(这是它的手段)对上给用户提供一个(良好的、安全的、高效的)运行环境。(目的)
【Linux仓库】冯诺依曼体系结构与操作系统【进程·壹】
OS如何管理小故事

通过上面了解,我们知道操作系统对下需要将软硬件资源管理好。操作系统又是如何管理的呢?

如何管理? --> 这里衍生出两个角色:管理者和被管理者。

这里举个例子方便大家进行理解。

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在大学校园中,总是会存在三个角色:校长,辅导员,学生。毫无疑问,校长就是管理者(操作系统),辅导员则是(驱动程序),而学生就是被管理者(硬件)。

辅导员也可以管理学生啊,为啥辅导员不能是管理者呢?

管理者必须是能做执行的,能做执策!!!

校长又没见到我的人,但是我却被管理的明明白白的。校长是如何做到的呢?

本质并不是见面,而是获取我身上有效的信息,这是管理的必备要素!!!

那校长又是怎么获取我身上有效的信息啊?辅导员的作用不就在这了么?

辅导员这个驱动程序要我填一张身份表,里面包含着我的学籍信息、身高、年龄等,再将这张表反馈给校长(管理者),这样校长就不用通过见我的面却能方方面面地把握着我的信息。


在校园中,有成千上万个学生需要管理,那么校长能管的过来吗?管不过来,那么该怎么办呢?

好在校长之前是一名程序员,此时为了对学生进行管理,他写了一款程序对学生进行管理。

每个学生都有年龄、身高、性别、学籍等等,则用结构体对它们都管理起来!!!

代码语言:javascript代码运行次数:0运行复制
struct stu{    char name[];    char 籍贯[];    int 基本信息;    struct stu *next;}

假设学校的10000名同学中有一名同学因去当兵需要对这个学生信息进行管理,将信息改为保留学籍;一名同学荣获国家级奖项,要对这个同学进行奖励。那么校长就需要查每一个学生的信息,这显然是很麻烦的。但如果我们将每位学生信息链接起来,这样校长管理所有的人就转化成为了对链表的管理,可以进行增删查改操作!!!

在C++、python、java等语言中,为什么都会提供类呢?为何要提供容器技术?要先描述;

为什么要学习数据结构?进行组织。

因此管理的做法乃至世界的真相都是先描述,在组织!!!

对应到操作系统中:

【Linux仓库】冯诺依曼体系结构与操作系统【进程·壹】
安全管理

那么用户我就能随随便便访问操作系统内的数据了吗?肯定不是,因此操作系统要提供安全措施。

在开发⻆度,操作系统对外会表现为⼀个整体,但是会暴露自己的部分接⼝,供上层开发使⽤,这部分由操作系统提供的接口,叫做系统调用。 系统调⽤在使⽤上,功能⽐较基础,对用户的要求相对也⽐较⾼,所以,有⼼的开发者可以对部分系统调⽤进⾏适度封装,从⽽形成库,有了库,就很有利于更上层用户或者开发者进行二次开发
【Linux仓库】冯诺依曼体系结构与操作系统【进程·壹】
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