?? 馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)

數(shù)學(xué)家馮·諾依曼提出了計(jì)算機(jī)制造的三個(gè)基本原則，即采用二進(jìn)制邏輯、程序存儲(chǔ)執(zhí)行以及計(jì)算機(jī)由五個(gè)部分組成（運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備），這套理論被稱(chēng)為馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)。

??1.體系概述

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)發(fā)展所遵循的基本結(jié)構(gòu)形式始終是馮·諾依曼機(jī)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是“程序存儲(chǔ)，共享數(shù)據(jù)，順序執(zhí)行”，需要 CPU 從存儲(chǔ)器取出指令和數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。

• 輸入設(shè)備：包含鍵盤(pán)，話筒，攝像頭，網(wǎng)卡，磁盤(pán)(I)

• 存儲(chǔ)器：包含內(nèi)存(寄存器、高速緩沖存儲(chǔ)器以及主存儲(chǔ)器，操作系統(tǒng)關(guān)機(jī)數(shù)據(jù)不復(fù)存在)和外存(硬盤(pán)，軟盤(pán)，CD，磁帶，操作系統(tǒng)關(guān)機(jī)數(shù)據(jù)也可保存)

• CPU：包含運(yùn)算器(數(shù)據(jù)流計(jì)算交換)和控制器(接收指令和發(fā)出控制指令)

• 輸出設(shè)備：包含顯示器，磁盤(pán)，網(wǎng)卡，聲卡聲響

比如我們上qq聊天，我們需要把聊天內(nèi)容通過(guò)鍵盤(pán)輸入給計(jì)算機(jī)(通過(guò)鍵盤(pán)這種輸入設(shè)備)，然后消息發(fā)出，顯示到對(duì)方屏幕上(這時(shí)對(duì)方顯示器就是輸出設(shè)備)

而且它們的運(yùn)行速度也有很大差異，在市面上可以幾百塊錢(qián)可以買(mǎi)到512G或者1T的硬盤(pán)，而內(nèi)存只能買(mǎi)到8G或者12G的，顯然同等存儲(chǔ)空間下內(nèi)存比硬盤(pán)要貴很多，那么同等地，它的速度也會(huì)比硬盤(pán)或者外設(shè)快很多。

而越昂貴，它的速度也就越塊，運(yùn)行速度：CPU >> 內(nèi)存 >> 外設(shè)

??2.CPU和內(nèi)存的數(shù)據(jù)交換

既然前面說(shuō)了CPU速度是最快的，那么為什么還要存在內(nèi)存呢，直接把CPU連到外設(shè)是不是會(huì)大大提升效率？

答案是否定的，舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，CPU工作的速度是納秒級(jí)，而內(nèi)存是微秒級(jí)，最后外設(shè)是毫秒級(jí)，如果CPU直接跟外設(shè)打交道，那么將是納秒跟微秒的對(duì)比，CPU造價(jià)最貴，自然速度也就最快，那么它的時(shí)間將是很昂貴的，一個(gè)外設(shè)輸入就會(huì)占用很多CPU的時(shí)間，這就跟木桶原理是一樣的

木桶所能盛放的最大水量取決于最短的那塊木板，而不是最長(zhǎng)的那塊，所以CPU如果直接跟外設(shè)打交道，那么計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度完全取決于外設(shè)的速度，而CPU那么快的速度顯然是浪費(fèi)掉了，這時(shí)便引入了內(nèi)存。

內(nèi)存的訪問(wèn)速度比外設(shè)快，但是又比CPU慢，CPU可以直接從內(nèi)存中拿到數(shù)據(jù)，放進(jìn)CPU計(jì)算的同時(shí)，DMA可以把外設(shè)的東西調(diào)到內(nèi)存，下次CPU就可以直接從內(nèi)存中拿取數(shù)據(jù)。

這就是為什么我們打開(kāi)一個(gè)程序的時(shí)候，需要先把數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存中，然后再交給CPU運(yùn)行，因?yàn)檫@是體系結(jié)構(gòu)決定的

結(jié)論：在數(shù)據(jù)層面，CPU一般不和外設(shè)溝通，而是只和內(nèi)存打交道

??3.體系結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)的流動(dòng)

我們下面模擬一下qq消息在兩臺(tái)主機(jī)中的傳遞：

數(shù)據(jù)先由張三的鍵盤(pán)輸入"晚安"，然后該消息被刷新到我們自己的顯示器上，然后點(diǎn)擊發(fā)送，這期間由DMA將數(shù)據(jù)調(diào)入內(nèi)存，內(nèi)存中數(shù)據(jù)在調(diào)入CPU進(jìn)行加密，然后將加密后的數(shù)據(jù)返回給網(wǎng)卡，網(wǎng)卡在通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行輸出給另一臺(tái)主機(jī)，另一臺(tái)主機(jī)的網(wǎng)卡(此時(shí)網(wǎng)卡為輸入設(shè)備)接收到數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)給CPU進(jìn)行解密，最后顯示到對(duì)方李四的顯示器上。

結(jié)論：在數(shù)據(jù)層面上，外設(shè)一般不直接和CPU打交道，而是和內(nèi)存打交道

?? 操作系統(tǒng)概念理解

在計(jì)算機(jī)中，操作系統(tǒng)是其最基本也是最為重要的基礎(chǔ)性系統(tǒng)軟件。從計(jì)算機(jī)用戶(hù)的角度來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)體現(xiàn)為其提供的各項(xiàng)服務(wù)；從程序員的角度來(lái)說(shuō)，其主要是指用戶(hù)登錄的界面或者接口；如果從設(shè)計(jì)人員的角度來(lái)說(shuō)，就是指各式各樣模塊和單元之間的聯(lián)系。事實(shí)上，全新操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和改良的關(guān)鍵工作就是對(duì)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)幾十年以來(lái)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)已經(jīng)由一開(kāi)始的簡(jiǎn)單控制循環(huán)體發(fā)展成為較為復(fù)雜的分布式操作系統(tǒng)，再加上計(jì)算機(jī)用戶(hù)需求的愈發(fā)多樣化，計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)已經(jīng)成為既復(fù)雜而又龐大的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)之一

??1.簡(jiǎn)述

操作系統(tǒng)（OS）是一組主管并控制計(jì)算機(jī)操作、運(yùn)用和運(yùn)行硬件、軟件資源和提供公共服務(wù)來(lái)組織用戶(hù)交互的相互關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)軟件程序。根據(jù)運(yùn)行的環(huán)境，操作系統(tǒng)可以分為桌面操作系統(tǒng)，手機(jī)操作系統(tǒng)，服務(wù)器操作系統(tǒng)，嵌入式操作系統(tǒng)等

操作系統(tǒng)包含：

• 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.設(shè)計(jì)目的

• 與硬件交互，管理所有的軟硬件資源
• 為用戶(hù)程序（應(yīng)用程序）提供一個(gè)良好的執(zhí)行環(huán)境

??3.定位

• 一款進(jìn)行軟硬件資源管理的軟件

??4.理解

我們應(yīng)該如何理解操作系統(tǒng)對(duì)硬件做管理呢？比如在IT公司中，有boss，還很多個(gè)團(tuán)隊(duì)，每個(gè)團(tuán)隊(duì)有隊(duì)長(zhǎng)和隊(duì)員，我們可以拿boss - 隊(duì)長(zhǎng) - 隊(duì)員來(lái)解釋。

在每個(gè)IT公司中，boss會(huì)做決策，比如開(kāi)發(fā)某款產(chǎn)品，然后他會(huì)把任務(wù)下發(fā)給對(duì)應(yīng)的團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)便會(huì)根據(jù)這個(gè)來(lái)組織隊(duì)員進(jìn)行軟件的開(kāi)發(fā)：

在以上的描述中：

• boss：決策(管理者)
• 隊(duì)長(zhǎng)：決策被執(zhí)行
• 隊(duì)員：參與執(zhí)行(被管理者)

在上述例子中我們看到，boss是不需要跟隊(duì)員直接溝通達(dá)到執(zhí)行決策的目的的，也就是：1.管理者和被管理者是不需要直接溝通的

那既然管理者和別管理者不需要直接溝通，那怎么做到管理的呢？我們想像一下，如果IT公司的員工訂了一份外賣(mài)，此時(shí)外賣(mài)小哥把外賣(mài)送到了員工的辦公桌上，那么他進(jìn)入了公司大樓，但他是公司的員工嗎？顯然不是，要被定義為公司員工，得在公司電腦上能查到該員工的信息才行，不是進(jìn)入公司大樓的就是該公司員工。同樣的，假如說(shuō)一個(gè)員工被炒魷魚(yú)了，他人離開(kāi)公司就行了嗎？顯然不是，該公司需要?jiǎng)h除這個(gè)員工的信息才行。所以說(shuō)管理的本質(zhì)是：2.對(duì)被管理對(duì)象的數(shù)據(jù)做管理

那么boss怎么拿到員工數(shù)據(jù)呢？這就需要每個(gè)團(tuán)隊(duì)的隊(duì)長(zhǎng)反饋隊(duì)員數(shù)據(jù)給boss，boss才能拿到員工數(shù)據(jù)。也就是3.管理者通過(guò)一種媒介(這里是隊(duì)長(zhǎng))拿到被管理者數(shù)據(jù)

所以說(shuō)我們操作系統(tǒng)也是如此：

操作系統(tǒng)通過(guò)硬件驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件進(jìn)行管理。

??5.管理的本質(zhì)

正如我們上文所說(shuō)，隊(duì)長(zhǎng)把隊(duì)員數(shù)據(jù)交給boss，那么boss怎么看呢，一個(gè)大的IT公司至少有幾百上千人，boss如果想查找業(yè)績(jī)最低的人員開(kāi)除，那豈不是得找很久？于是boss就想了一個(gè)辦法：把所有隊(duì)員的數(shù)據(jù)用一個(gè)類(lèi)描述出來(lái)，比如叫Programmer，這個(gè)類(lèi)里面有成員姓名(name)，年齡(age)，業(yè)績(jī)(achievement)等基本信息，這就叫數(shù)據(jù)的描述然后每個(gè)人員的信息我們便可以清楚的看到：

如果我們要查找人員信息呢，我們得用一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)組織每個(gè)人員的基本信息
比如boss想用二叉樹(shù)來(lái)組織：

此時(shí)我們只需要遍歷這棵二叉樹(shù)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)員工信息的查找，操作系統(tǒng)也是，比如進(jìn)程管理，操作系統(tǒng)會(huì)用PCB來(lái)描述進(jìn)程的結(jié)構(gòu)，又比如內(nèi)存管理，操作系統(tǒng)會(huì)用頁(yè)表來(lái)管理內(nèi)存

總之，管理就是先描述，在組織，這句話會(huì)貫穿我們Linux的整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程

??6.系統(tǒng)調(diào)用

操作系統(tǒng)的作用是對(duì)下提供管理好軟硬件資源，、對(duì)上給用戶(hù)提供良好(安全，高效，穩(wěn)定，功能豐富)的良好環(huán)境，“系統(tǒng)調(diào)用”是操作系統(tǒng)提供給應(yīng)用程序（程序員/編程人員）使用的接口，可以理解為一種可供應(yīng)用程序調(diào)用的特殊函數(shù)，應(yīng)用程序可以發(fā)出系統(tǒng)調(diào)用請(qǐng)求來(lái)獲得操作系統(tǒng)的服務(wù)。會(huì)使處理器從用戶(hù)態(tài)進(jìn)入核心態(tài)

我們所熟知的系統(tǒng)調(diào)用有：文章來(lái)源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-786853.html

• GUI(圖形化界面)
• shell和命令行
• C函數(shù)(stdio.h)
  

到了這里，關(guān)于【Linux】馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)和操作系統(tǒng)概念的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請(qǐng)?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！