本文主要是介绍Linux ----冯诺依曼体系结构与操作系统,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!
目录
前言
一、冯诺依曼体系结构
二、为什么选择冯诺依曼体系结构?
三、使用冯诺依曼结构解释问题
问题1:
问题2:
四、操作系统
1.操作系统是什么
2.为什么需要操作系统
3.操作系统怎样管理的
4.如何给用户提供良好环境
五、我们是怎样调用系统接口的
六、总结
前言
了解冯诺依曼体系结构与操作系统,可以建立好计算机知识体系,至少在后面学习进程时,可以逻辑自洽。
一、冯诺依曼体系结构
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。
我们当前的计算机主要由五部分组成:输入单元,输出单元,存储器,运算器和控制器。如下
二、为什么选择冯诺依曼体系结构?
为什么现在的计算机基本都选择了冯诺依曼体系结构?
这是因为我们要进行存储分级,计算机里几乎所有的设备都有数据能力,如CPU存储速度最快,内存其次,磁盘再次之。
如果不会存储速度进行分级,全部都是用最快的存储器,会造成价格极具昂贵的现象,我们这种普通老百姓根本承担不起。如三星、西数的硬盘,英伟达60系列显卡、intel i5家族才是主流用户的选择。
冯诺依曼体系结构中,CPU并不会和外设直接打交道,这是因为外设的存储效率太慢,直接交互会让计算机速度变很低,因为木桶效应。在数据层面上,CPU优先要和内存直接打交道。
我们读取磁盘中的数据进入内存,再让CPU与内存进行直接访问,这样在保证计算机效率的同时,也让成本尽可能的降低。这也是使用冯诺依曼体系结构的本质:用较少的钱,做出来效率不错的计算机。
如下是存储分级图。
三、使用冯诺依曼结构解释问题
问题1:
在我们学C/C++语言时,总听说过一句话,程序要运行之前,必须要加载到内存?这是为什么呢?
这是因为程序=代码+数据,程序最终都需要CPU来执行,CPU在处理前需要先读取到这些代码和数据,我们刚刚了解到,CPU只和内存直接进行数据交互,因此需要先将数据加载到内存中,再让CPU进行相关数据的处理。
问题2:
你和你的朋友,在QQ上聊天,你发送了一个“在吗”,在硬件层面上,“在吗”这个在设备上的数据流动是怎样的?
数据从你的电脑中键盘输入,转到内存中,有CPU进行相应的打包处理,再通过网卡传输到你的朋友的电脑网卡端,你朋友的电脑接受到也会先加载到内存,再CPU进行相应的解包处理,最后再显示器上显示出来。
以上案例只是为了让大家理解冯诺依曼体系结构,具体流程肯定不仅仅只有网卡键盘显示器参与,还有其他硬件共同参与。
四、操作系统
1.操作系统是什么
操作系统是一款软件,是可以进行软硬件资源管理的软件,也是第一个加载到内存里面的软件。
2.为什么需要操作系统
操作系统将软硬件资源管理好,并且给用户提供稳定、高效、安全的使用环境。(后面两点围绕这个展开)
3.操作系统怎样管理的
先回答上面第2点的第一句话:操作系统如何将软硬件资源管理好
操作系统管理的的核心是:进程管理、内存管理、文件/IO管理、驱动管理。如下图
他是如何管理好这些的呢? 我们举例子来理解。
比如在一个大学,校长是管理者,会做决策,辅导员或者老师做执行,学生是被动接受管理。那么校长是如何做决策的呢?
他总不能是跟小阿giao一样拍拍脑袋,随便管理决策的吧。他肯定是掌握了辅导员/老师提供的数据(姓名/成绩/班级/奖项等等),根据这些数据来进行管理,比如张三喜欢打架,成绩也不好,那我们就不要给张三奖学金,或者直接将张三开除了。再比如李四成绩好,品学兼优、辅导员和同学对他评价很高,那么就颁给李四一个三好学生。这也是为什么我们都见不到校长,但确确实实是校长在间接或直接管理着我们。
通过这个故事,我们可以看到管理的本质并不是管人,而是管理数据 !!!通过数据下发指令进行管理。
那么既然管理者管理的是数据,那么我将数据用 结构体/类 来描述很合理吧,比如上面的学生数据,我定义一个struct或者class,里面有名字、性别、身高、体重、成绩等等信息来描述。我们再使用链表或者红黑树等其他数据结构,将学生类都串起来,方便我们进行增删改查等处理。
对应到计算机中,对应的操作系统就是管理者代表校长,驱动程序代表辅导员/老师,硬件被管理者学生。
计算机将你要管理的内存、进程等分别使用结构体或者类来描述清楚,再使用容器进行组织起来。
总以经结一句话:先描述、再组织。 任何管理工作都可过这六个字进行计算机建模。
如何理解先描述呢?
人是通过属性来认识世界上的任何事情/事物的。比如我描述一个物品,它是液体的,黑色的,外包装为红色,可以喝的,带气泡的,喝第一口非常好喝的,喝后面一般的,喝起来冲鼻的。大家很容易联想到可乐。这些内容都是该物品的属性。由此我们可以得出一个结论,重要属性的集合就代表这个人或者事物。
既然先描述,再组织,那么操作系统内部,一定存在大量的数据对象。我们只要描述清楚对应的硬件,用数据结构将他们组织起来,那么我们对硬件的管理就可以转化为对数据结构的管理。这样就完成了对管理事物的建模过程。
比如,我们想知道,我们显卡是否在正常工作,那么操作系统就会去查看显卡的相关数据对象,查询后,再将结果返回给上层。
4.如何给用户提供良好环境
回答上面第2点的第二句话,操作系统如何给用户提供稳定、高效、安全的使用环境。
现在我们已经知道了操作系统很棒,可以将软硬件资源管理好,那他是如何给用户提供良好的使用环境的呢?
这里的用户,在广义上指所有人,狭义上指开发者,因为至少至少,操作系统得让开发者用起来舒服,让开发者能开发各种软件,如qq,微信等给所有人使用。
那么用户能直接通过操作系统去访问到底层硬件的数据对象,同时可以修改吗?
答案是不能,因为群众里面有坏人,你无法保证每个人都正常的对底层硬件进行访问修改,万一有坏人或者不小心修改了数据,我们后面查看到的结果与实际可能就不一样了。
就像银行一样,不相信我们,有保安和好几米厚的墙来防止坏人,但还是要设置窗口让业务员与我们沟通。同理,虽然操作系统不相信我们,但还是要给我们提供接口来为我们服务。我们要通过操作系统访问软硬件,也就需要调用操作系统给我们的接口。
五、我们是怎样调用系统接口的
一般一个用户要想访问非常底层的操作系统数据或者访问硬件,必须贯穿整个层状结构,这就意味着用户必定要调用系统调用接口。比如C语言中打印的printf,他一定是封装系统调用,不然不可能在屏幕中给我们进行显示。
但是系统调用,用起来会很麻烦。
站在用系统的人的角度,操作系统给我们提供了外壳程序(linux的shell,windows的图形化界面),我们可以通过外壳程序,来通过简单的操作进行系统调用。
站在在系统上开发的人的调度,可以直接调用系统接口,但是开发的人也会有小白,如果将系统接口封装成为各种好用的函数,打包形成库!所有开发者,用很多功能的时候,不用再自己去写了,而是直接调用库函数即可。
现在我们再回过头来看一下这个图片,是不是容易理解了,用户通过shell外壳和库访问系统调用接口,通过接口对访问操作系统,再通过操作系统对硬件的管理进行访问硬件。
六、总结
不要求了解很多,只需要知道冯诺依曼体系结构中的 “先描述再组织”。
计算机管理硬件
1. 描述起来,用struct结构体
2. 组织起来,用链表或其他高效的数据结构
还有系统调用和库函数概念
- 在开发角度,操作系统对外会表现为一个整体,但是会暴露自己的部分接口,供上层开发使用,这部分由操作系统提供的接口,叫做系统调用。
- 系统调用在使用上,功能比较基础,对用户的要求相对也比较高,所以,有心的开发者可以对部分系统调用进行适度封装,从而形成库,有了库,就很有利于更上层用户或者开发者进行二次开发。
这篇关于Linux ----冯诺依曼体系结构与操作系统的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助!