[Linux]冯诺依曼体系结构

作者： 华丞臧.
​​​​专栏：【LINUX】
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一、冯诺依曼提体系结构

我们常见的计算机，如笔记本、台式电脑、以及不常见的服务器，大部分都遵守冯诺依曼体系。
那么什么是冯诺依曼体系呢？如下图：

截至目前，我们所认识的计算机，都是一个个的硬件组成的：

• 输入单元：包括键盘、鼠标、磁盘、网卡等；
• 中央处理器（CPU）：含有运算器和控制器等；
• 输出单元：显示器、音响、磁盘、打印机等。
• 存储器：内存

关于上面图中的冯诺依曼结构，有几点需要注意：

• 图中的存储器指内存；
• 不考虑缓存情况，这里的CPU能且只能对内存进行读写，不能直接访问外设（输入设备或者输出设备）；
• 外设（输入设备或者输出设备）要输入或者输出数据，只能先写入到内存或者从内存中读取；
• 所有设备都只能直接和内存打交道。
• 中央处理器CPU只是具有运算和控制能力，被操作系统控制着计算和控制数据；几乎所有的硬件只能被动的完成某种功能，一般都是配和软件完成的。

1.1 为什么要有内存

1. 技术角度：内存就是体系结构的一个大的缓存，用来适配外设和CPU速度不均的问题。

运算速度：cpu的运算速度 > 寄存器的速度 > L1~L3Cache > 内存 > 外设 > 光盘磁带。
因此相对于cpu来说磁盘的速度是非常低的，整个计算机性能由效率最低的那一块决定；从数据角度，外设几乎不和CPU交互，直接和内存交互，CPU也同样如此只和内存交互。引入存储器，当我们需要进行数据计算时，系统会预先将数据加载到存储器中，然后CPU再从存储器中读取，这样就能让计算机的性能和效率以存储器为主，提高了整机的性能和效率。

2. 成本角度：使用较低的成本，获得较高的性能。

造价：寄存器 >> 内存 >> 磁盘（外设）
一个东西要在大众中蔓延直至蔓延全球必须满足有效并且便宜，而存储器能够让我们使用较低的成本，获得较高的性能。

1.2 操作系统的预加载

体系结构规定，当我们编写完一个程序并生成可执行文件时，可执行文件一定是存放在磁盘上的，而如果要运行这个程序一定要先将这个文件加载到内存中去；操作系统同样如此，一台电脑开机是需要等待一段时间的，等待的过程就是操作系统预加载到内存的过程，预加载还能让计算机把加载和运行并行起来。
局部性原理：当访问某些数据时，操作系统会将该数据周边的数据一起加载到内存中。

二、操作系统

2.1 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(0S)。笼统的理解，操作系统包括一下两点：

• 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）

在整个计算机软硬件架构中，操作系统的定位是：一款纯正的“搞管理”的软件。

2.2 设计OS目的

操作系统是一个进行软硬件资源管理的软件。

• 对上，与硬件交互，管理所有的软硬件资源；
• 对下，为用户程序提供一个良好(稳定的、高效的、安全的)的执行环境。

2.3 如何理解管理

管理是日常生活中不可缺少的一部分，一个国家有政府部门管理，一个公司也有自己的管理层，一个学校有校长和老师进行管理；任何有序的地方都离不开管理，那么如何管理呢？

日常生活中可以分为两种人管理者和被管理者，大多数人都是被管理者；通常一个地方(国家、公司、学校)的最高管理者，比如说学校的校长，校长管理学生并不需要面对面的管理，而是通过汇总学生的信息然后根据信息做出决策，因此通过对管理对象数据的管理就可以实现对对象的管理。
对于信息的管理并不简单，当信息的数据量小时，可以直接对信息进行管理；但是当信息量很大时，直接人为地对信息进行管理，无疑是一个巨大工作量的任务；因此需要将数据进行结构化，使用数据结构对信息进行管理。

管理的本质：对数据进行管理。
收集对象的信息首先要描述对象，人们是通过属性来认识世界，换句话说一切事物都可以通过抽取对象的属性，来达到描述对象的目的。 这也告诉我们面向对象语言的诞生是必然的，因为面向对象更符合人们认识世界的方式。

2.4 系统调用和库函数概念

• 系统调用：在开发角度，操作系统为了保护自己，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；Linux中的系统调用是使用C语言编写完成的，因此又称为C式接口。
• 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。

操作系统四大基本功能如下：

1. 内存管理：分配内存空间，保证各作业占用的存储空间不发生矛盾，并使各作业在自己所属存储区中不互相干扰。
2. 进程管理：进程调度，解决处理器的调度、 分配和回收等问题。
3. 文件管理：文件存储空间的管理、目录管理 、文件操作管理、文件保护等。
4. 驱动管理：当用户使用外部设备时，必须提出要求，待操作系统进行统一分配后方可使用。当用户的程序运行到要使用某外设时，由操作系统负责驱动外设。

底层硬件和操作系统并不是直接链接，而是以冯诺依曼体系结构相互链接的；驱动程序一般由硬件制造厂商提供，或是由操作系统相关的模块进行开发(如网卡)。
驱动程序本质上是软件代码，主要作用是计算机系统与硬件设备之间完成数据传送的功能，只有借助驱动程序，两者才能通信并完成特定的功能。 如果一个硬件设备没有驱动程序，只有操作系统是不能发挥特有功能的，也就是说驱动程序是介于操作系统与硬件之间的媒介，实现双向的传达，即将硬件设备本身具有的功能传达给操作系统，同时也将操作系统的标准指令传达给硬件设备，从而实现两者的无缝连接。

2.5 总结

计算机管理硬件的方式如下：

1. 先描述，使用struct结构体；
2. 再组织，用链表或者其他高效的数据结构。