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??系列專欄：Linux
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目錄
一、馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)
??1.1為什么要有體系結(jié)構(gòu)
??1.2硬件介紹
??1.2.1中央處理器
??1.2.2輸入、輸出設(shè)備?
??1.2.3存儲(chǔ)器?
??1.24.總線概念?
??1.3內(nèi)存的重要性?
二、操作系統(tǒng)
??2.1操作系統(tǒng)的概念
??2.2設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)的目的
??2.3計(jì)算機(jī)的底層結(jié)構(gòu)
一、馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)
??1.1為什么要有體系結(jié)構(gòu)
? ? ?我們現(xiàn)在常見(jiàn)的計(jì)算機(jī)，如筆記本，它們本質(zhì)都是一堆硬件（如：cpu、內(nèi)存、網(wǎng)卡、磁盤等）的集合。并不是把這些硬件毫無(wú)章法的放在一起就能夠組成計(jì)算機(jī)，而是要讓各個(gè)硬件和軟件之間建立協(xié)同能力，讓它們具有邏輯結(jié)構(gòu)，這就要求硬件與硬件之間要組織好，構(gòu)建成一個(gè)系統(tǒng)，這樣才能對(duì)外提供計(jì)算輸出服務(wù)，所以就要有體系結(jié)構(gòu)將它們連接。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的核心。
我們常見(jiàn)的計(jì)算機(jī)，大部分都遵守馮諾依曼體系。
??1.2硬件介紹
??1.2.1中央處理器
? ? ?中央處理器簡(jiǎn)稱CPU，它由運(yùn)算器和控制器共同組成。在不考慮緩存的情況下，CPU只能對(duì)存儲(chǔ)器（內(nèi)存）進(jìn)行讀寫，不能訪問(wèn)外設(shè)（輸入、輸出設(shè)備）。它的主要功能就是解釋計(jì)算機(jī)指令以及處理計(jì)算機(jī)軟件中的數(shù)據(jù)。這意味著，電腦中所有操作都由CPU負(fù)責(zé)讀取指令并進(jìn)行處理。
- 運(yùn)算器是對(duì)用戶輸入的數(shù)據(jù)執(zhí)行計(jì)算任務(wù)，分為算數(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，前者就是加減乘除，后者就是真假判斷。
- 控制器是對(duì)計(jì)算過(guò)程，即硬件流程進(jìn)行控制，它控制著指令的執(zhí)行和數(shù)據(jù)的傳輸，協(xié)調(diào)各組件與各單元間的工作。
??1.2.2輸入、輸出設(shè)備?
? ? ?輸入、輸出設(shè)備，也被稱為IO設(shè)備，是計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵外部設(shè)備之一，它允許與計(jì)算機(jī)本體進(jìn)行交互使用。這類設(shè)備使得用戶可以向計(jì)算機(jī)輸入數(shù)據(jù)和信息，同時(shí)也能從計(jì)算機(jī)獲取處理結(jié)果。常見(jiàn)的輸入設(shè)備包括：鍵盤、鼠標(biāo)、麥克風(fēng)、攝像頭、磁盤、網(wǎng)卡等。例如：鍵盤是字符輸入設(shè)備，可以將文字信息輸入到計(jì)算機(jī)中；而鼠標(biāo)則是一種圖形輸入設(shè)備，用戶可以通過(guò)移動(dòng)鼠標(biāo)來(lái)控制光標(biāo)的移動(dòng)，并與屏幕上的對(duì)象進(jìn)行交互。?常見(jiàn)的輸出設(shè)備包括：顯示器、打印機(jī)、音響、磁盤、網(wǎng)卡等。例如：顯示器，它可以將計(jì)算機(jī)處理后的信息以圖像或文字的形式展示給用戶。無(wú)論是輸入還是輸出設(shè)備，它們都對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行至關(guān)重要，并且極大地方便了用戶的使用。
注意：磁盤、網(wǎng)卡等設(shè)備既時(shí)輸入設(shè)備，也是輸出設(shè)備。
??1.2.3存儲(chǔ)器?
? ? ? 存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的記憶設(shè)備，主要用于存放程序和數(shù)據(jù)。它可以分為內(nèi)存儲(chǔ)器和外存儲(chǔ)器兩大類，這里的存儲(chǔ)器指的是內(nèi)存。在馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)中占據(jù)核心地位。
??1.24.總線概念?
? ? ?總線是計(jì)算機(jī)中設(shè)備與設(shè)備之間傳輸信息的公共通道。它是一條由導(dǎo)線組成的傳輸線束，用于連接計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)內(nèi)的各種設(shè)備，實(shí)現(xiàn)它們之間的信息交換和通信?？偩€作為一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是CPU與主存、I/O設(shè)備（輸入、輸出設(shè)備）各大部件之間進(jìn)行信息交換的關(guān)鍵通道。它極大的方便了設(shè)備的連接和使用，提升了計(jì)算機(jī)整體的運(yùn)行效率。
??1.3內(nèi)存的重要性?
? ? ?我們要先了解計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的硬件，硬件有很多種，例如：寄存器、緩存、內(nèi)存、硬盤、網(wǎng)盤等，它們按照訪問(wèn)速度的快慢形成了一個(gè)存儲(chǔ)金字塔，如下圖所示：
寄存器的讀取速度更快，為什么體系結(jié)構(gòu)不是下面這種情況呢？
? ? ?在我們的人之中，CPU直接與輸入設(shè)備和輸出設(shè)備直接進(jìn)行交互，這樣的效率更高。?但事實(shí)情況并不是這樣，由于木桶原理：一只木桶能裝多少水，并不取決于桶壁上最高的那塊木塊，而恰恰取決于桶壁上最短的那塊。這樣計(jì)算機(jī)的效率并沒(méi)有提高，反而效率降低了。
? ? ?這時(shí)我們引入一種速度快于外設(shè)，慢于CPU的存儲(chǔ)設(shè)備——內(nèi)存。它起著第三方中轉(zhuǎn)站的作用，我們可以把數(shù)據(jù)從輸入設(shè)備先預(yù)加載到內(nèi)存，CPU完成計(jì)算后存放到緩存中，當(dāng)需要輸出時(shí)，直接從緩存中讀取。CPU的運(yùn)算和內(nèi)存從外設(shè)讀取數(shù)據(jù)是可以同時(shí)進(jìn)行的。合理利用預(yù)加載和緩存可以大大提高效率，引入內(nèi)存也節(jié)省了成本。
總結(jié)：一個(gè)程序想要運(yùn)行，就必須先加載到內(nèi)存。?
二、操作系統(tǒng)
? ? ?操作系統(tǒng)是管理和控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各種硬件和軟件資源、合理地組織計(jì)算機(jī)工作流程的系統(tǒng)軟件，也是用戶與計(jì)算機(jī)之間的接口。
?操作系統(tǒng)是一款純正的“搞管理”的軟件?
??2.1操作系統(tǒng)的概念
任何計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都包含一個(gè)基本的程序集合，稱為操作系統(tǒng)(OS)?；\統(tǒng)的理解，操作系統(tǒng)包括：
- 內(nèi)核（進(jìn)程管理，內(nèi)存管理，文件管理，驅(qū)動(dòng)管理）
- 其他程序（例如函數(shù)庫(kù)，shell程序等等）
??2.2設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)的目的
- 與硬件交互，管理所有的軟硬件資源
- 為用戶程序（應(yīng)用程序）提供一個(gè)良好的執(zhí)行環(huán)境
??2.3計(jì)算機(jī)的底層結(jié)構(gòu)
??什么是驅(qū)動(dòng)程序？
? ? ?驅(qū)動(dòng)程序是一種特殊的程序，它的主要功能是讓計(jì)算機(jī)和設(shè)備進(jìn)行相互通信。我們可以將驅(qū)動(dòng)程序視為硬件的接口，只有通過(guò)這個(gè)接口，操作系統(tǒng)才能控制硬件設(shè)備的工作。例如：當(dāng)我們插入一個(gè)打印機(jī)到電腦上時(shí)，電腦并不能直接理解這個(gè)硬件是什么以及它能做什么，而只有在安裝了驅(qū)動(dòng)程序后，電腦才能理解這個(gè)硬件設(shè)備，因?yàn)轵?qū)動(dòng)程序中包含了配置信息和描述。
??操作系統(tǒng)為什么要對(duì)軟硬件進(jìn)行管理？
? ? ?操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)核與基石，其關(guān)鍵作用之一就是管理計(jì)算機(jī)的硬件和軟件資源。它的主要任務(wù)包括管理與配置內(nèi)存、決定系統(tǒng)資源供需的優(yōu)先次序、控制輸入與輸出設(shè)備、操作網(wǎng)絡(luò)以及管理文件系統(tǒng)等。操作系統(tǒng)位于底層硬件與用戶之間，作為兩者溝通的橋梁，它提供了一種讓用戶與系統(tǒng)交互的操作界面，如命令行或圖形用戶界面。這使得用戶可以通過(guò)操作系統(tǒng)的用戶界面，輸入所需的命令。對(duì)計(jì)算機(jī)的軟硬件資源進(jìn)行管理對(duì)于提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率和可用性至關(guān)重要。
??操作系統(tǒng)是怎樣進(jìn)行管理的？
? ? ? 我們以學(xué)校為例，校長(zhǎng)作為學(xué)校的管理者，學(xué)生作為被管理對(duì)象，那校長(zhǎng)是如何管理學(xué)生的呢？每個(gè)學(xué)校的教務(wù)系統(tǒng)中存儲(chǔ)了學(xué)生的各種信息，如姓名、學(xué)號(hào)、年齡、考試成績(jī)、掛科情況等等。要評(píng)選獎(jiǎng)學(xué)金的時(shí)候，校長(zhǎng)只需要在教務(wù)系統(tǒng)中依據(jù)每個(gè)學(xué)生的成績(jī)排個(gè)名，根據(jù)排名就可以把獎(jiǎng)學(xué)金發(fā)給對(duì)應(yīng)的學(xué)生。因此我們可以得出下面的結(jié)論：
-
管理者和被管理者并不需要見(jiàn)面。
-
管理本質(zhì)上是對(duì)信息（數(shù)據(jù)）進(jìn)行維護(hù)。
那這些信息是哪里來(lái)的呢？這些信息就是我們?nèi)雽W(xué)時(shí)，輔導(dǎo)員讓我們填寫的個(gè)人信息，然后匯總在一起。輔導(dǎo)員也是執(zhí)行者。
管理者和執(zhí)行者的本質(zhì)區(qū)別在于，管理者擁有決策權(quán)，而執(zhí)行者是沒(méi)有決策權(quán)的，執(zhí)行者只能按照管理者的要求去執(zhí)行任務(wù)?；氐接?jì)算機(jī)，操作系統(tǒng)就相當(dāng)于是校長(zhǎng)，屬于管理者；驅(qū)動(dòng)程序就相當(dāng)于是輔導(dǎo)員，屬于執(zhí)行者；硬件就相當(dāng)于學(xué)生，屬于被管理者。
計(jì)算機(jī)管理硬件：（先描述，在組織）
- ?描述起來(lái)，用struct結(jié)構(gòu)體
- ?組織起來(lái)，用鏈表或其他高效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
操作系統(tǒng)對(duì)硬件設(shè)備的管理最終都會(huì)轉(zhuǎn)換成對(duì)某種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的增刪查改。這種管理方式就決定了操作系統(tǒng)中含有大量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
??結(jié)語(yǔ)：?文章來(lái)源：http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-761441.html
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