【Linux】冯诺依曼体系和操作系统：

爱被打了一巴掌 2024-04-25 20:20 4阅读 0赞

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### 1.冯诺依曼体系结构： ###

#### 1.1体系概述理清： ####

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

*  **🔥**我们将冯诺依曼体系结构分为**输入设备、输出设备、存储器和CPU**

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*  上述部分的常见硬件：

输入设备：键盘、话筒、摄像头、网卡、磁盘

输出设备：显示器、磁盘、网卡、声卡音响

外设一般都会比较慢一些，以磁盘为例

相对于内存，磁盘较慢，但是价格并不贵，三五百块钱就可以买到一块512G的硬盘，贵一点的话可能像磁盘，价格在900 ~ 1200不等，但是它们都有一个优点就是：存储容量大、可以长久保存数据不丢失！

内存还不是最快的，CPU最快

> ❓那我们为什么还需要内存呢？
> 
> 因为外设较慢，CPU很快，但是整体的效率以外设的速度为准，这样就不太合适，为了解决这个问题，就出现内存。
> 
> 💡内存的存在就可以大大缓解外设的效率低的问题，内存的存在可以对数据进行预加载，CPU以后在进行数据计算的时候，根本不需要访问外设，只要访问内存就可以了

#### 1.2内存的重要性： ####

我们是否可以不要寄存器，让CPU直接和外设链接呢？

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对于像【磁盘】这种外围设备来说虽然它有着大容量的内存，但是读写速度却非常慢，机械硬盘读写速度平均`60---80M`每秒；固态硬盘不同品牌型号之间,平均大约在`150---300M`每秒

但是对CPU来说，也就我们上面说到过的运算器 + 控制器，它的运算速度读者可以自行去网上看看，那比磁盘不知道要快出多少倍了。那一个写入很慢，一个读入很快，真的可以兼容吗？

大家应该都听过**木桶效益**，木桶效益的时候，能乘多少水取决于最短的木板，而不是最长的木板，磁盘内存和CPU同样的道理

![木桶效应 的图像结果][0c54344d1a6a97fc5fe9753d77a518fd.jpeg]

我们的外设很慢，而CPU非常快，这样就会照成我们计算机的运行速度由外设来决定，CPU的高速运转将没有优势

此时就还是需要使用到冯诺依曼体系结构中的【存储器】，也就是我们俗称的内存

，因为对于内存这个东西，它虽然比CPU来得慢一些，但是却比磁盘快多了，它们三者的速度大概可以像下面这样对比

CPU —— `纳秒`（ns） 内存 —— `微秒`（us） 外设 —— `毫秒`（ms）

我们可以知道CPU和外设差距是非常大的，因此我们需要内存这个东西来进行过渡

因为有了内存的存在，虽然它掉电易失，但还是局部短时间的存储，因此外设可以将数据暂存到内存中，**此时，CPU后面想要去处理这些数据的话直接去内存中拿就可以了，无需再与外设进行交互造成不兼容的问题**

*  🔥在数据层面，一般CPU不和外设沟通，直接和内存打交道

> ❓可执行程序是不是一个文件？为什么我们的程序，必须先被加载到内存中的呢？
> 
> 💡可执行程序是一个文件。我们的代码编译后，有CPU执行，CPU会向内存索要数据，冯诺依曼体系结构决定的
> 
> ❓在硬件层面，单机和跨主机之间，数据流是然后流向的？
> 
> 💡以播放网易云音乐为例，把软件加载到内存，然后CPU执行这个，当我点击播放，在将网络从输入设备加载到内存，然后做一堆计算，然后通过输出设备播放

对冯诺依曼的理解，不能停留在概念上，要深入到对软件数据流理解上

❓请解释，从你登录上qq开始和某位朋友聊天开始，数据的流动过程。从你打开窗口，开始给他发一个消息（在吗？），到他的到消息之后的数据流动过程。如果是在qq上发送文件呢

![image-20230504165327078][]

💡==在吗？==通过我的电脑的输入设备加载到内存后，由CPU计算，再反馈给输出设备（网卡），通过网络传递给朋友的电脑的网卡（输入设备），以同样的方式，==在吗？==被加载到内存由CPU计算，传给显示器，出现朋友的QQ聊天界面上，文件也是同样的道理

### 2.操作系统： ###

#### 2.1操作系统的概念： ####

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）

**操作系统是一款进行软硬件资源管理的软件**

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#### 2.2设计OS的目的和定位 ####

先看这一张思维导图，我们再详细展开讲解。

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我们先用一个简单的例子来理解

📚例子

以下谁是管理者？校长，管理者做的事情是决策

\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-6EyX43qu-1683251638516)(C:\\Users\\小卢\\AppData\\Roaming\\Typora\\typora-user-images\\image-20230416143409922.png)\]

假设我们的校长要在学校举办一个校级的编程笔试，校长先把辅导员小张叫过来，安排辅导员给我们学校学生开会和一些奖励制度，让辅导员去做，然后辅导员就给我（学生）来开会了

就比如我们上大学，修了多少学分，挂了多少学分，校长就可以通过教务系统直接看到，校长不跟你接触，但是辅导员天天跟你接触，辅导员通过让你们填表得到信息，假设校长是一个程序员，校长想要学生的班级姓名电话成绩紧急联系人，讲这些抽象成一个类，

![image-20230416144045580][]

管理者和被管理者，其实是不需要直接沟通的！

> ❓管理者和被管理者都没有直接沟通，他如何管理我呢？
> 
> 💡管理的本质：对被管理对象的数据做管理！！！

管理者是如何拿到被管理者的数据呢？

学生的数据：

struct student
    {
        
    	string Name;
    	int Class;
    	int phone[12];
    	int score;
    	int parenter_phone[12];
    	struct student* next;
    };

管理的本质：先描述，再组织

我们可以把学生理解为硬件（软件也可以），校长就是操作系统，辅导员就为硬件驱动

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> ❓操作系统为什么要对软硬件资源进行管理？
> 
> 💡操作系统对下进行管理好软硬件资源（手段）,对上给用户提供良好（安全、稳定、高效、功能丰富等）的执行环境

*  🔥操作系统作为计算机系统资源的管理者

操作系统是一款进行软硬件资源管理的软件

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*  处理器（CPU）管理

在多道程序环境下，cpu的分配和运行都以进程（或线程）为基本单位，因此对cpu的管理可理解为对进程的管理。进程管理的主要功能包括`进程控制、进程同步、进程通信、死锁处理、处理机调度`等。附上一张图理解对进程的管理。

![image-20230505093149685][]

*  存储器（内存）管理

为多道程序的运行提供良好的环境，方便用户使用及提高内存的利用率，主要包括`内存分配与回收、地址映射、内存保护与共享和内存扩充`等功能。

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*  文件管理

计算机中所有的信息都是以文件的形式存在的，操作系统中负责文件的管理的部分称为文件系统，文件管理包括`文件存储空间的管理、目录管理及文件读写管理和保护`等

![image-20230505093934821][]

*  设备管理

设备管理的主要任务是完成用户的I/O请求，方便用户使用各种设备，并提高设备的利用率，主要`包括缓存管理、设备分配、设备处理和虚拟设备`等功能。

![image-20230505094120857][]

*  🔥操作系统作为用户与计算机硬件系统之间的接口

为了让用户方便、快捷、可靠的操作计算机硬件并执行自己的程序，操作系统提供了用户接口

操作系统提供的接口分为两类：`命令接口和程序接口`

`命令接口`：用户可以`直接`使用的，利用这些操作命令来组织和控制作业的执行

`程序接口`：用户通过程序`间接`使用的，编程人员可以使用它们来请求操作系统服务

![image-20230505094627448][]

*  命令接口

命令接口分为两类：联机命令接口和脱机命令接口，用户可以`直接`调用

`联机命令接口`：又称交互式命令接口，适用于分时或实时系统的接口，由一组键盘操作命令组成。用户输入一条指令，操作系统就执行一条指令；

*  脱机命令接口

又称批处理接口，使用于批处理系统，由一组作业控制命令组成。用户输入一堆指令，操作系统运行一堆指令。在操作系统运行这些命令时用户不可干预。

*  程序接口

程序接口：由一组`系统调用（也称广义指令）`组成

用户通过在程序中使用这些系统调用来请求操作系统为其提供服务，只能通过用户程序`间接`调用

如使用各种外部设备、申请分配和回收内存及其它各种要求

📚例子

就银行，银行有电脑、服务器、桌椅板凳、仓库、员工宿舍….

IT部门，后勤部门，保安，阿姨

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行长就是OS（操作系统）

就拿取款来说，你去取500块，银行行长会跟你说，你的500在金库里面，你进门右转就是金库，你进去后拿了你的500块就出来吗？ 不可以根本不可能

操作系统给我们提供非常良好的服务，并不代表OS会想想我们，反而操作系统不相信任何人！！！

*  🔥计算机软硬件体系结构：  
    ![image-20230416155702410][]
 *  🔥计算机的体系的结构是层状的，一般不可以跳过某个层

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![在这里插入图片描述][b0c06700beca49c5995edced0a1ddfb5.gif_pic_center]

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