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【Linux】操作系统入门：冯诺依曼体系结构

news 来源：原创 2025/7/5 16:11:24

引言：从一次QQ聊天说起

你是否好奇，当你在键盘上敲下一行文字发送给好友时，计算机内部发生了什么？为什么鼠标点击后程序就能瞬间响应？这一切的答案，都藏在计算机的“心脏”——冯诺依曼体系结构中。

一、硬件方面

1.1、冯诺依曼体系结构是什么？

1945年，冯·诺依曼提出了一种革命性的计算机设计模型，是所有计算机的底层逻辑。其核心由五个部分组成：

其中存储器指的是内存。所有设备都只能直接和内存打交道

外设：

  • 输入设备：将人类信息（文字、图像、声音）转换为二进制数据。包括鼠标，键盘，摄像头，话筒，磁盘，网卡...
  • 输出设备：将二进制数据转换成人能看懂的。包括显示器，播放器硬件，磁盘，网卡...

CPU：

  • 运算器：对我们的数据进行计算任务（算数运算，逻辑运算）
  • 控制器：对我们的计算硬件流程进行控制

这些硬件都是独立的个体，必须用“线”连接起来，包括系统总线，IO总线

根据这些硬件的理解，简述一下引言中QQ聊天中数据是怎么流动的：

  • 输入：键盘输入文字 → 存入内存。

  • CPU处理：CPU从内存中打包数据 → 再写回内存。

  • 输出设备（网卡）：从内存读取加密数据包，转换为网络信号发送至对方QQ。

然后对方的网卡再接收数据，再把数据加载到内存，输出设备显示器再在内存中读取数据，显示消息

1.2、为什么还要设计内存？

1.2.1. “木桶原理”：内存性能取决于最薄弱环节

如果没有内存，CPU直接跟外设进行交互，由于硬件的速度代差，CPU将长期处于等待状态，效率大大降低。实时性也会受到影响。

  • CPU：每秒处理数十亿次运算（纳秒级）
  • 磁盘：机械寻道耗时（毫秒级，相差百万倍）


 

内存：相当于“和事佬”，缓解速度鸿沟。

预加载机制：有了内存，CPU计算时，内存可以提前加载下一批数据，两全其美

经济方面：寄存器虽然效率高，但价格贵。虽然技术上能实现全用寄存器，但不利于计算机的普及。

二、软件方面理解

2.1、操作系统的结构

操作系统是什么？

操作系统是一款进行软硬件管理的软件！

为什么需要操作系统来管理？

  1. 硬件资源是有限的，需要操作系统来管理协调各个程序对硬件资源的使用
  2. 同样也为了给用户提供一个良好（稳定，安全，高效）的运行环境

类比：操作系统如同交通警察，指挥车辆（程序）有序使用道路（硬件资源），避免拥堵和事故。

驱动程序：

驱动程序是操作系统与硬件设备之间的“翻译软件”，负责将操作系统的指令转换为硬件能理解的信号，同时将硬件状态反馈给系统。

系统调用接口理解：

  1. 对于硬件里的各种数据，都被操作系统所管理，这也意味着访问硬件的数据必然要经过操作系统。但是操作系统不相信任何用户。
  2. 所以，操作系统为了保证自己的数据安全，也为了保证给用户能够提供服务，操作系统以接口的方式给用户提供了调用的入口。来获取操作系统内部的数据。
  3. 系统调用：是操作系统提供的用C语言实现的，自己内部的函数调用
  4. 所有访问操作系统的行为，都只能通过系统调用完成

就像我们（程序）去银行取钱，银行并不是直接让我们去金库（硬件资源）拿。而是提供一个柜台（系统调用）进行业务的办理

2..2、操作系统如何管理？

谈操作系统管理之前，先谈谈大学里是如何管理学生的。

简单来说，大学有校长，辅导员，当然还有我们学生等等。很明显，校长就是典型的管理者，辅导员是执行者，而我们就是被管理者。但是，我们平常经常能见到校长吗？可能也就入学和毕业的时候才能见两眼吧。可是，我们与学校的校长不这么见面，校长却能很好的管理我们。也就是说，管理者和被管理者是不需要见面的。那么，他又是如何做到管理的呢？虽然校长没有和学生见面，但是校长有学生的各种基本信息，通过对这些信息的管理，从而做到对学生的管理。

所以管理的本质：通过对数据的管理，达到对人的管理。

管理者和被管理者又不见面，怎么获取到的信息呢？通过执行者。

对标操作系统：

对操作系统来说，管理软硬件资源肯定要对软硬件资源的属性，数据管理起来。那必然要用结构（结构体）给它描述起来，每实例出一个对象就映射一份资源。那么，我们只需要对这些结构体用链表或者其他数据结构组织起来，当我们要查询或修改某个软硬件资源的数据时，只要遍历这个链表就行了。从而达到对其的管理。我们所有的管理动作就转化成了对特定数据结构的增删查改。

总的来说：操作系统对资源的管理就是先描述，在组织的过程

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