Linux基础——冯诺依曼体系结构与操作系统

简介: Linux基础——冯诺依曼体系结构与操作系统

前言:在进入Linux进阶知识之前,我们还需理解最后一点知识,先认识理解冯诺依曼体系结构,再认识理解操作系统定位这样才能更好的理解后面的知识


本篇主要内容:

  • 冯诺依曼体系结构
  • 操作系统概念与定位

1. 冯诺依曼体系结构

冯诺依曼体系结构的介绍

在我们生活中,常见的计算机,如笔记本,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, 写板,磁盘/ssd等
  • 中央处理器(CPU):CPU,寄存器,各种级别的缓存
  • 输出单元:磁盘,网卡,显示器,打印机等

注意:计算机中几乎所有的设备都有存储数据的功能,只不过是存储能力大小不同

内存和磁盘二者都是计算机中主要的存储部件让我们来看看二者的区别和联系:

  • 内存是一种高速且造价昂贵的存储设备,属于内部存储设备。它的主要作用是作为程序与CPU沟通的桥梁,确保CPU可以直接访问内存中的数据,从而提高数据的访问速度。
  • 磁盘作为一种速度较慢但造价低廉的外部存储设备,它通过磁记录来实现数据的存储。
  • 当计算机断电后,内存中的数据会丢失,而磁盘中的数据可以长久保留。

因此内存存储的数据会丢失,而磁盘则是永久存储介质!

内存的特点: 高速度高价格
磁盘的特点: 低速低价

内存和磁盘在速度、价格、存储方式以及断电后的数据保留等方面存在明显的区别,但它们又相互配合,共同实现计算机的数据存储和访问功能。正确理解和使用内存和磁盘,对于优化计算机性能和数据管理至关重要。


冯诺依曼体系结构的优势

在众多体系结构中,冯诺依曼体系被广泛运用是有一定原因的。

他合理利用了设备的特点!

离CPU越近的设备,运行速度越快,造价也越贵!

输入设备和输出设备相对于中央处理器来说是非常慢的,于是在当前这个体系整体呈现出来的就是,输入设备和输出设备很慢,而CPU很快,根据木桶原理,那么最终整个体系所呈现出来的速度将会是很慢的。

一个木桶能装水的多少,取决于最短的那块木板

因为有了这一层原因,CPU为了总体的运行速度不被拉低,就不会直接和磁盘外设打交道,而是和内存打交道,冯诺依曼体系就是基于这点将中央处理器进行复杂的数据处理,运算。而离CPU远一点的设备用于存储数据或者接受数据后传给内存做分析

因此:

  • 冯诺依曼体系结构让高价格的设备用于处理复杂的数据,同时低价格的设备用于存储数据或进行数据交互,这让冯诺依曼体系结构的计算机能够在保证价格的同时,兼顾性价比。

正是因为冯诺依曼体系结构在降低了造价的同时,依然兼顾性能,让计算机能够快速的普及,为计算机科学的发展提供了基本框架,推动了计算机科学的发展,并为后续计算机技术的创新和发展提供了启示和借鉴。



2. 操作系统

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(OS)。笼统的理解,操作系统包括:

  • 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)



定位

操作系统的实质就是进行软硬件资源管理的软件


管理

在理解完概念之后,让我们来看看计算机的层状结构

而操作系统的管理类似于:学生、辅导员和校长。校长是管理者,学生是被管理者,还有一个“不知名”辅导员

校长实际上就是那个做决策的人,但是校长在作出决策后,只需将决策下达给辅导员,让辅导员去执行。辅导员再对所有的学生执行指令,从而实现了校长对学生的管理

然而校长是怎么做到一个人对学校所有师生做管理的呢?学生太多了又不易保存和查找。

因此校长想到了用结构化数据来进行管理,将所有学生的基本信息用链表储存,这样校长对各个学生的管理,变成了对这个链表的增删查改。在链表上的增删查改实现了对数据的管理,也实现了对学生的管理

因此:校长管理学生的本质不是管理人,而是在管理数据!!!

管理者管理被管理者实际上就是对数据结构的管理!!!


操作系统的管理核心有:

  • 进程管理
  • 内存管理
  • 文件管理
  • 驱动管理

计算机管理硬件:

  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

计算机一切管理都是:先描述,再组织

管理进程得先描述进程的性质,内存管理管理的是内存,首先要描述内存。C/C++的封装继承多态实现描述,而容器的存在则帮我们进行组织!

操作系统为什么要将软硬件资源管理好?

它得目的是给用户提供良好得,稳定,高效,安全的使用环境,管理只是一种手段!

3. 总结

在学完本篇文章,我想大家对冯·诺依曼体系结构和操作系统管理有了一定认识。在操作系统上,虽然说操作系统是为用户提供服务的,但在操作一同上的不一定是用户,而是系统调用。因为系统在给用户提供服务的同时不一定完全信任用户,于是但产生了系统调用窗口来阻止直接获取Linux内核中的各种信息!

系统调用:是操作系统给用户提供了服务的同时,通过调用函数来获取操作系统内的数据,因此一些重要内容能跳过用户,因此你只能看到有限部分的数据

谢谢大家支持本篇到这里就结束了

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