Linux--系统结构与操作系统

简介: Linux--系统结构与操作系统


冯诺依曼体系结构

冯诺依曼体系结构是计算机体系结构的基本原理之一。它将程序和数据都以二进制形式存储,以相同的方式处理和存取

上图是冯诺依曼体系结构的五大组成部分。

输入设备用于向计算机输入数据和命令的设备。它们使用户与计算机进行交互,并将信息传输到计算机中进行处理

常见的输入设备包括有:鼠标、键盘、话筒、摄像头、磁盘、网卡等。

上面除了磁盘和网卡都很好理解。

磁盘是计算机中常用的外部存储设备,用于存储和检索大量的数据。当存储器向磁盘读取数据时,它就是输入设备;

网卡也称为网络适配器或网络接口卡,是计算机连接到计算机网络的设备。它是负责将计算机中的数据转换成网络可识别的格式,并通过物理连接发送到目标设备或网络。同时,它也负责接收网络的数据,并将其传输到计算机中,这时它就是输入设备。

输出设备用于将计算机处理的数据、图像或其他信息以可读可感知的形式呈现给用户或其他设备

常见的输出设备有:显示器、打印机、扬声器、声卡、显卡、磁盘、网卡等。

磁盘和网卡在都是既作为输出设备,也作为输入设备的。

存储器用于保存和存储数据和指令。它被分为两种类型:主存储器和辅助存储器

主存储器:用于临时存储数据和指令的地方。它是CPU能够直接访问和存储的空间,数据可以快速的读取和写入。通常来说,是随机存取存储器(RAM)的形式。主存储器的容量越大,计算机能够同时存储和处理的数据量就越多。

辅助存储器:用于喜欢长期存储大量的数据和程序。辅助存储器的访问速度比存储器慢,但容量比较大.像我们刚才介绍的磁盘就是属于这类存储器的。它可以永久保存数据,即使在断电后也能保持数据的存储。

运算器运算器也称之为算术逻辑单元。它负责执行各种算术和逻辑运算,是中央处理器的核心部分。像一些加减乘除、与或非这些运算。

通常读取存储器的数据,并将其传递给其他组件进行进一步处理。

控制器负责协调和控制计算机中各个硬件和软件组件的工作。它是中央处理器的一部分,也是单独的逻辑电路和芯片

一般来说,控制器从内存中读取指令,并将其解码,根据指令的要求执行相对应的操作。控制器会通过生成和发送时钟信号来同步各个组件的操作。确保计算机各个部件按照正确的时序进行工作。

那为什么要将计算机分为这五大部分呢

主要是为了模块化和分工的目的。计算机拆分为不同的部分可以使得相对独立的设计、开发和维护,提高系统的可拓展性和维护性。也让每个部分可以根据实际需求进行升级和优化,而不影响其他部分的功能和性能。

而这样也就表示着,这五部分都必须进行相对应的连接,设备之间都有相对应的数据流动。数据之间的流动实质上就是数据之间的来回拷贝。

拷贝的速度,也是决定计算机效率的重要指标(一般是存储器和CPU之间的数据传输)。

为什么要有内存?

通过上面的介绍,存储器是用来存储数据的。那如果CPU速度够快,不就可以省去存储器来直接计算输入的数据了。

理论来说,可以。但是贵啊!

而有了内存,就可以做出以下的事情:

  1. 数据共享:通过内存,计算机的不同组件(如CPU和外部设备)可以共享数据。CPU可以将处理结果存储在内存中,然后其他组件可以读取这些数据,并在其基础上进行进一步的计算或其他操作
  2. 缓存功能:内存还用于缓存数据。由于内存的读取速度较快,它可用于存储对处理器频繁访问的数据,以加快计算机的整体性能。
  3. 暂时存储:内存还可以用作临时存储,将需要在计算过程中频繁访问的数据暂时保存在内存中。这样可以避免频繁地从外部存储设备读取数据,提高了计算机的运行效率。
  4. 程序执行:计算机的程序和指令需要加载到内存中才能被CPU执行。内存提供了一个临时的工作区域,使得程序能够以更快的速度被读取和执行。
  5. 多任务处理:内存使得计算机可以同时存储和处理多个程序或任务。不同的程序可以被加载到内存的不同位置,并且可以在其中相互切换,从而实现并发执行的能力。

所以,内存的存在,本质上也是为了提高计算机的运行效率,他能让CPU做出更多的事情。最终,引入内存,把效率的问题转化为软件问题计算机的效率主要以内存的效率为主。且让计算机的价格足够便宜。

而对于存储单元来说,也有自己的等级梯度(寄存器、三级缓存、主存储器、辅助存储器),一般来说,运行效率越高,价格越贵,单体容量越小,反之;CPU会根据数据的存储性质存储到适合的存储单元中,实现高效的数据处理和存储管理

场景一

程序运行的时候,都需要将程序加载到内存中

对于程序来说,实际上是存储在磁盘中的,也就是输出设备;

当你要对程序进行运行时,实际上就是指令的执行和数据的运行,而这些执行都是交给CPU来操作的。

而CPU的数据索取,就是要从内存中来的。最终会在显示器上进行显示。

操作系统

操作系统是计算机系统中的一种软件,它是进行软硬件资源管理的软件

资源管理:操作系统负责管理计算机的硬件资源,包括处理器、内存、磁盘、输入输出设备等。它通过任务调度算法合理分配处理器时间片、内存空间和其他资源,以便多个程序或用户可以同时运行而不干扰彼此。

进程管理:操作系统通过进程管理来控制程序的执行。它创建和销毁进程,分配和释放进程所需的资源,以及调度和协调进程之间的执行顺序,确保它们正常运行且不发生冲突。

内存管理:操作系统管理计算机的物理内存和虚拟内存。它负责将进程从磁盘加载到内存中,并动态分配和回收内存空间,以便给进程提供足够的内存供其执行。

文件系统管理:操作系统管理计算机的文件系统,它负责文件和目录的创建、删除、读写等操作。文件系统提供了一种结构化的方式来存储和组织数据,使用户和应用程序能够方便地访问和管理文件。

设备驱动程序:操作系统提供设备驱动程序来控制和管理计算机的输入输出设备,如键盘、鼠标、打印机等。它通过驱动程序与硬件进行通信,使应用程序能够与设备进行交互。

用户界面:操作系统为用户提供了一个交互的界面,使用户可以通过命令行、图形界面或其他方式来与计算机进行沟通和操作。用户界面可以让用户轻松地执行各种任务,如启动应用程序、管理文件、设置系统参数等.

何为管理?

对于系统来说,它就是一个管理者,而硬件部分,就是被管理者;管理者一般都是做决策的人,而被管理者就是做执行的。

以校园生活为背景,校长就是管理者,辅导员是保证管理决策落地,学生是被管理者;

而管理者与被管理者之间是不需要见面的。

因为管理一个人的本质是对于你这个人的数据进行管理的;

管理者的核心工作是决策,根据数据做决策;

而对于怎么取得到你的个人信息,就必须你本人进行上报给辅导员;然后学校会会进行统一管理;对于系统来说,也就是硬件要有对应的驱动程序。

而在一个学校中,学生的数量会非常多,那么就必须将人的管理转化为数据的管理;利用你的个人信息进行不同的分门别类;当要取出你的数据时,只需要匹配上你的信息数据即可。

管理者校长的决策,也就是对你的个人信息的数据进行管理而已。

而在操作系统中,被管理者硬件部分实际上就是先描述你的具体信息,然后才有对应的驱动,管理者系统才能对硬件进行组织管理。

总结就是先描述,再组织!

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