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【Linux】进程预备知识——冯诺依曼、操作系统

news 来源：原创 2025/8/23 8:34:14

一、冯诺依曼体系结构

讲解思路：什么是冯诺依曼，为什么要冯诺依曼，冯诺依曼怎么运行的

（一）什么是冯诺依曼

冯诺依曼由：输入/输出设备、存储器、CPU（运算器、控制器）构成。

CPU-运算器：算术运算，逻辑运算

CPU-控制器：执行代码，进行逻辑控制（弱化）

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、打印机.....

（二）为什么需要冯诺依曼

我们平时写的c/c++代码会生成一个可执行程序，可执行程序必须加载到内存中，为什么？

首先给出一个结论：CPU在数据层面不和外设（输入/输出设备）打交道！外设不和CPU打交道只和内存（存储器）打交道，这又是为什么呢？

在内存中存在效率问题：CPU效率>内存>外设

1. 若CPU直接从外设获取数据，输入设备信息还没准备好CPU要等很长一段时间，而从内存中获取信息虽然也要等，但是相对前者快很多提高了效率。所以输入设备将信息加载到内存，再由内存向CPU传送数据。

2. 在下图中，效率越快的寄存器价格越高空间还小，无法实现用户普及性，引入内存可以让用户不怎么高的成本或得一台计算机，人人用得起计算机也就推动计算机的发展。

内存的本质是外设和CPU的缓存

回到问题：为什么需要冯诺依曼，因为计算机的硬件都遵循冯诺依曼体系结构，冯诺依曼体系结构决定可执行程序必须预加载到内存，CPU只和内存打交道（效率有关）。

这也反应了为什么我们写程序要包含头文件，输入设备到存储器的过程称为input，存储器到输出设备的过程称为output；input和output就是IO流--->用于外设和内存进行数据交换--->要使用IO流必须包含指定头文件。

（三）冯诺依曼如何操作

Linux下一切皆文件！！数据流动的本质：其实是拷贝，计算机整体效率也就是设备间拷贝的效率！

1. 信息通信

你要和你朋友远程实现QQ上的信息交流，看似两个人在交流实际上是两台冯诺依曼通过网路进行数据的传递。

你和朋友打开QQ软件就是将软件预加载到内存，然后你从键盘输入你好拷贝到内存，内存将信息拷给CPU-运算器进行加密从“xxx”再将加密后的信息拷回给内存，内存拿到后通过输出设备（网卡）进行网络传输到你朋友的冯诺依曼上。

你朋友就输入设备从网卡上获取到加密信息“xxx”--->内存--->CPU-运算器进行解密成“你好”----->内存--->显示器上显示“你好”

2. 文件发送

文件发送也和信息传输的操作是一样的，因为计算机的硬件都遵循冯诺依曼体系结构。不一样的是文件是通过磁盘输入输出，而不是网卡。

二、操作系统概念

结论：操作系统是进行软硬件管理的软件，软硬件体系结构本质是层状的。

（1）什么是Linux内核

Windows上，我们认为的操作系统包含图形界面、WPS软件等，以程序员的角度，接下来谈论的Linux操作系统只说Linux内核，内核进行内存管理、进程管理、文件管理、驱动管理。

也就是下图我圈起来的这一部分称为Linux内核：

（2）操作系统是怎么进行硬件管理？

结论：通过每个硬件的驱动程序间接管理和控制每个硬件。

硬件全部遵循冯诺依曼体系结构，是不能直接与操作系统打交道，比如你给你电脑插上手写板在插上的几秒钟内手写板是没有反应的，因为手写板在安装对应驱动程序，只有安装好驱动程序才能与操作系统建立联系。操作系统通过每个硬件的驱动程序间接管理和控制每个硬件。

（3）为什么要操作系统

对下：通过驱动程序管理好硬件——>手段

对上：给用户提供一个良好（稳定、安全、高效）的运行环境——>目的

总不能两天一黑屏，三天一重启，这样这个操作系统就很不稳定、安全。

我们使用操作系统本质上使用什么？

通过软件访问计算机的硬件资源！！我们对于操作系统的各种需求是无限的，比如电脑啊，给我打开QQ，打开微信，打开网易云、打开爱奇艺...而计算机的硬件资源就那么点很有限。

这时候就需要操作系统把有限的硬件资源管理好，通过软件来匹配我们无限的需求。

接下来我将操作系统拆分为两部分进行讲解

（一）对下硬件管理

结论：对硬件的管理本质是对硬件数据的管理，管理的做法是：先描述再组织

（1）原理

在学校中有校长、辅导员和你。假设校长就是最高管理者，辅导员是辅助校长管理你（执行者），而你是被管理者。那么校长管理你需不需要天天和你见面呢？不仅不需要而且你还被管理者安排的明明白白（固定时间上课、吃饭），所以要管你见面不是必要条件！而是获取到你的信息，像电话号码、宿舍号、学籍档案，这样校长就可以通过这些个人数据间接管理你，想找你聊天一个电话就可以找到你。怎么获取到你信息？这时候就靠辅导员了，他们协助校招收集你们档案再交给校长，这样校长什么都不用做就把你们信息拿到。

以上例子对应操作系统就是：校长—>操作系统，辅导员—>驱动程序，你—>硬件设备

这也再次说明了：操作系统通过驱动程序获取到硬件信息实现对硬件的管理、控制

（2）做法

这时校长是一名程序员，它自己管10几个学生信息可以，几千个就不行了，于是对学生的管理工作变成让计算机管理！！而操作系统大部分由C语言编写，C在描述学生属性是通过创建结构体，于是学生信息通过一个个结构体来描述，每个结构体中再定义一个指向下一个结构体的指针，这样就把全部学生数据串起来形成链表，再定义个链表头结点，就实现对学生管理工作的建模，将管理所有学生问题转化为对链表的增删查改管理！

管理本质是对数据进行管理，做法是：先描述再组织

将生活中问题描述成一个个结构体，再将这些结构体组织起来。语言中类就是描述，容器技术是组织，所以操作系统中是存在很多数据结构的！

（二）对上服务用户

结论：操作系统是层状结构，和操作系统交互只能通过系统调用，本质是让用户安全的访问操作系统

操作系统不允许用户直接访问，因为内部有很多信息不允许直接随意删改，对计算机小白用户就更不用说了。例如你去银行存钱不可能直接修改内部金额数据，得由银行窗口的服务者进行修改。

所以操作系统给用户提供一个封装系统调用的接口，进行入参返回实现系统调用

这还不够，操作系统在这之上再将这些接口封装为各种库（iostream/ stdio / lib ...）这也就是C语言在使用scanf、printf....时需要包含头文件，这样你直接用函数而系统帮你调硬件接口（键盘、显示器...）

而这仅仅是对于操作系统程序员用户而言，非程序员根本不懂代码，于是基于下面的库和接口开发出一系列软件给用户使用（Windows是各种图形化界面，Linux是shell外壳）辅助用户进行接口调用。

以上就是操作系统向上对用户提供一个良好的运行环境，向下管理好硬件的全过程。

感谢观看，希望利己同时也对大家有帮助~

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