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【Linux】冯诺依曼体系结构和操作系统的理解

news 来源：原创 2025/7/29 0:31:31

冯·诺依曼体系结构

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我们知道，计算机这个东西发明出来就是帮助人们快速解决问题的。那如果我们想把问题交给计算机处理，我们就需要一个输入设备把我们问题所需要的数据和信息交给计算机，然后我们需要计算机给出我们处理的结果，就需要一个叫做输出设备的东西来让计算机把结果显示出来（比如显示器）在这里插入图片描述

而我们后人就将这个具有算术运算功能、逻辑运算功能以及控制功能的这个模块称为中央处理器，简称CPU。
CPU的处理数据的速度非常快，可以这么说如果我们想要打游戏和刷视频如此的流畅，一块好的CPU是不可或缺的。
但是我们早期的计算机遇到了一个问题就是，CPU确实处理数据非常快，但是输入设备和输出设备他两的处理数据的能力不快呀。这个时候CPU1微秒处理完数据，对输入设备说，输入设备我把你刚刚交给我的数据处理完了，你还有数据交给我们吗？输入设备这个时候说，请你等一下CPU我正在处理呢。这个时候CPU又对输出设备说，输出设备我这里有一批刚刚处理完的数据要交给你，你现在有空处理吗？这个时候输出设备又说：等一下CPU，我这里的数据也还没处理完呢。
这个时候CPU就只能翘着二郎腿在这里闲着等他们了，这个时候我们就浪费了大量的空闲时间。

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这也是木桶原理的现象。
这个时候我们的诺依曼大佬也发现这个问题，就让一个叫内存的东西作为桥梁介于CPU和输入/输出设备之间，内存的工作速度只是比CPU慢一点，如果说CPU处理完了数据，需要得到新的数据继续工作，这个时候内存也刚好把输入设备的数据拿到，这个时候内存就可以尽快的把数据拿给CPU处理，对于输出设备的对接也是如此。
现在该体系的运行流程就是：用户输入的数据先放到内存当中，CPU读取数据的时候就直接从内存当中读取，CPU处理完数据后又写回内存当中，然后内存再将数据输出到输出设备当中，最后由输出设备进行输出显示。
于是就形成了最终的冯诺依曼体系结构。

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一个例子来深入理解

今天你要使用qq对你的朋友发送一句你好的信息
要使用qq就需要联网，你和你的朋友的电脑都是冯·诺依曼的体系结构：你的输入设备是：键盘，输出设备是：显示器和网卡，你朋友的输入设备是：网卡，输出设备是：显示器
刚开始你在你的键盘中输入了你好这个数据，那么键盘这个输入设备就把数据交给内存，内存拿到了又交给CPU处理，CPU处理好后交给内存，内存又对显示器和网卡两个输出设备各个发送一份，那么你的显示器就得到了你好这个数据，这个时候你的显示器上就显示了你发送你好的信息，那么网卡的信息就开始交给网络流，流到了朋友电脑的网卡这个输入设备这里，被朋友电脑的网卡获取到，这个时候网卡又把这个数据交给内存，内存交给CPU，CPU处理完后又交给内存，内存拿到后，交给你你朋友电脑的显示器这个输出设备，这个时候你朋友的显示器上就出现了你好。

总结一下：

CPU只和内存打交道

初识操作系统

操作系统的作用

简单来说就是用来管理软件和硬件的一款系统软件

设计操作系统的目的

与硬件进行交互，管理所有的软硬件资源。
为用户程序（应用程序）提供一个良好的执行环境。

例如：如果用户现在像在显示器上看一个东西，就需要显示器的驱动程序来启动显示器这个硬件，操作系统就是需要来管理驱动程序这一操作，来满足用户的需求。

操作系统之上和之下分别有啥

首先就是我们肉眼可见的计算机硬件，这些硬件的结构也是遵从我们的冯·诺依曼体系结构的。
但是如果只是有这些硬件是不行的，还要有一个的东西来对硬件进行管理。例如：内存什么时候从从输入设备读取数据？读取多少数据？内存何时刷新缓冲区到输出设备？是按行刷新还是全刷新？这些都是由软件进行管理的，而这个软件就是操作系统（Operator System）。

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那这个时候有一个问题。我们是不是可以理解为，操作系统直接来管理硬件？
举个例子，如果操作系统自己来完成键盘的读取操作，那么只要你的键盘读取方式进行了改变，那么操作系统的内核源代码就需要进行重新编译，这对操作系统来说维护成本太高了。
于是我们早操作系统和硬件之间也加了一个驱动层，这个驱动层的主要作用就是去直接控制底层硬件的。例如，键盘有键盘驱动，网卡有网卡驱动，硬盘有硬盘驱动，磁盘有磁盘驱动。驱动简单来说就是去访问某个硬件的读，和硬件状态驱动层就是直接和硬件打交道的。此时操作系统就只需关心何时读取数据，而不用关心数据是如何读取的了，也就是完成了操作系统与硬件之间的解耦。
这个时候大家可能对解耦这个名词有点陌生，我这里讲一下什么是高内聚和低耦合

补充知识：高内聚和低耦合

什么是高内聚？例如台式电脑把显卡和显示器这样主要用来显示的功能放在一起叫做高内聚，把具有类似功能的函数封装在一个类也是高内聚。
什么是低耦合，我的台式电脑感觉用着非常卡顿，系统反应迟钝，我现在把CPU换一个更高效的但是换了CPU并不会造成很大影响其他显卡和内存的功能。或者我把一个函数的代码改了并不会造成很大影响(不是没有影响哈)另一个函数的功能，叫做低耦合

那操作系统究竟管理些什么呢？操作系统主要进行以下四项管理：

内存管理：内存分配、内存共享、内存保护以及内存扩张等等。
驱动管理：对计算机设备驱动驱动程序的分类、更新、删除等操作。
文件管理：文件存储空间的管理、目录管理、文件操作管理以及文件保护等等。
进程管理：其工作主要是进程的调度。

而操作系统再往上就是我们所处的位置，在这里我们就可以用命令行或是图形化界面进行各种操作，这一层被称为用户层。(如Windows的图形界面操作，Linux的命令行指令操作)

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但操作系统为了保护自己，对上只暴露了一些接口，而不会让用户直接访问操作系统，这一系列接口被称为系统调用接口(其实就是函数)。
例如:如果我们的程序要访问硬件，必须通过系统调用访问操作系统，让操作系统去让硬件执行相应的操作。(只有操作系统可以管理软件和硬件)

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但是系统调用接口的方式来访问操作系统，对于不熟悉操作系统的人操作成本还是太高了，我们因为要使用系统调用前提条件是你得对系统有一定了解。所以在系统调用接口之上又构建出了一批库，例如libc和libc++。实际上在语言级别上使用的各种库，就是封装了系统调用接口的，我们就是通过调用这些库当中的各种函数（例如printf和scanf）进行各种程序的编写。
例如我们的Printf函数要把数字打印到显示器，就要访问硬件，访问硬件去需要调用系统调用让操作系统去给显示器说我们的需求

管理的精髓，先描述，再组织

要想学好操作系统，那么就必须正确理解到底什么是管理。
这里我们举一个实际的例子来谈谈管理，现在给出三个角色：学生、辅导员和校长。很明显，校长在这三个人当中是管理者，学生是被管理者，那么辅导员充当什么角色呢？
仔细想想，实际上完成任何一件事都要经过两个过程，首先是决定要不要做这件事或是如何做这件事（决策），然后就是去做这件事情（执行）。校长作为管理者来管理学生，校长实际上就是那个做决策的人，但是校长作出决策后并不需要自己来执行，而是让辅导员去执行，所以辅导员的主要任务就是执行管理者的决策，我们通常将其称为执行者。
虽然说校长是管理学生的，但是我们在学校一般情况下是看不到校长本人的，那么校长是如何做到在不看到我们的情况下对我们进行管理的呢？

举个例子，现在校长要求辅导员将计算机成绩排名前十的学生的各科资料以及平时表现记录拿过来，他将从这十名同学之中选出三名学生参加本次的编程大赛，当辅导员将资料拿来后校长选出三名学生说：“就这三个了，你找个老师对这三名学生进行一下强化训练，然后参加本次的编程大赛。”然后校长就什么也不管了。

在这个过程中，校长根本没有见过这三名同学，就对其进行了管理，他根据的是什么？没错，他根据的是数据。
实际上，学校将我们每个学生的各种信息都进行了管理，基本信息、成绩信息以及健康信息等等。
每一种信息就描述了这个学生的情况，我们的学长就可以只根据这些关于这个学生的信息就可以把学生管理起来。这么一套信息在C语言当中我们称之为抽象结构体，而在C++当中又叫做类。
当学生的数量多起来了，校长就可以将全部学生的信息组织起来，当然组织的方式有很多种（链表、顺序表、树），而每种组织方式都有其自己的优势，于是就有了一门课程专门教我们管理数据的方式，那就是数据结构。这里我们假设校长以双链表的形式将学生的信息组织起来。
此时校长对这些学生的管理，其实就是对双链表这个数据结构的增删查改。例如：我如果要年级最后三名开除学籍，那么我们就可以在学籍系统中，删掉这三名学生的信息。
那么操作系统是不是也可以这样管理硬件？把网卡，显卡，键盘，定义一个类，描述他们的属性，然后数据结构组织起来，对他们进行增删查改

【Linux】冯诺依曼体系结构和操作系统的理解

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