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计算机体系结构
- [1. 前言](#1. 前言)
- [2. 冯诺依曼系统介绍](#2. 冯诺依曼系统介绍)
- [3. 为什么冯诺依曼系统如此流行?](#3. 为什么冯诺依曼系统如此流行?)
- [4. 对硬件系统的再理解](#4. 对硬件系统的再理解)
- [5. 校长对学生的管理](#5. 校长对学生的管理)
- [6. 操作系统对硬件的管理](#6. 操作系统对硬件的管理)
- [7. 总结](#7. 总结)
1. 前言
为了更好的理解Linux进程的概念
要先认识计算机结构体系:冯诺依曼系统
并且要重新理解操作系统的概念与定位
本章重点:
本章着重讲解冯诺依曼体系结构
并且带大家重新认识操作系统的定位
本篇文章没有代码和指令,比较轻松
大篇幅的是在做介绍和讲故事!
2. 冯诺依曼系统介绍
常见的计算机，如笔记本
不常见的计算机，如服务器
大部分都遵守冯诺依曼体系!
对于各个部分的描述:
-
输入设备:键盘,话筒,摄像头,usb鼠标,磁盘/ssd,网卡等等
-
存储器:存储器其实就是内存! -
中央处理器(CPU):CPU,寄存器,各级别缓存 -
输出设备:显示器,磁盘,扬声器,网卡等等
对于没有了解过这一部分知识的同学
很难分清楚内存和磁盘的关系与区别
内存和磁盘是计算机中主要的存储部件
内存是利用了电效应实现了存储
一旦电脑断电它存储的数据就会丢失!
然而磁盘是外设,是永久存储介质!
内存的特点: 高速度高价格
磁盘的特点: 低速低价
注:计算机中几乎所有的设备都有存储数据的功能,只不过是存储能力大小有别
经过上面的剖析,现在可以将冯诺依曼系统
图给补充给下面的样子:
3. 为什么冯诺依曼系统如此流行?
其实计算机体系不止有冯诺依曼系统
还有流水线结构等等
为啥冯诺依曼系统被广泛使用呢?
我们本节课只在存储能力的方面来做解析
先给大家铺垫一下内存分级的知识:
结论: 离CPU越近的设备,运行速度越快,造价也越贵!
在硬件层面上,CPU只能和内存交互
而不能直接和磁盘外设交互!
这是因为外设磁盘离CPU很远,处理速度很慢
相信大家都听说过短板效应,所以CPU
为了总体的运行速度不被拉低,就不会
直接和磁盘外设打交道,而是和内存打交道!
所以冯诺依曼的这种体系很巧妙
将中央处理器进行复杂的数据处理,运算
而离CPU远一点的设备用于存储数据
或者接受数据后传给内存做分析
这就得出了这样的结论:
冯诺依曼系统既有高价格的设备
用于处理复杂的数据,又有低价格
的设备用于存储数据或进行数据交互
这使得冯诺依曼体系的计算机可以在
价格不高的前提下,做到效率比较高!
正是这种能让老百姓买得起的价格
并且使用起来比较高效的模式
才让冯诺依曼系统到现在也如此流行!
4. 对硬件系统的再理解
经常听见老师说,程序在运行之前
必须先加载到内存中,这是为什么?
现在我们或许可以解释这个问题
首先,程序=代码+数据,然而只要是数据
最终都要CPU来处理,CPU需要先读取
这些代码和数据,经过和内存的交互
处理完程序后会形成可执行程序.exe文件
此文件会被存储在外设磁盘中!
注:磁盘的内容怎样被传到内存
内存又怎样和CPU交互
这些工作由操作系统来完成
现在再分享几个案例:
(注:目前还没有学习网络,所以网络部分忽略)
- 案例A: QQ发消息与收到消息
很明显,在QQ上发送消息时发的不仅仅
是消息,还有发送时间,发消息人的头像等
所以在发送消息前,从键盘输入的数据要
被加载到内存经过CPU处理后推送至输出
设备:
网卡,经过网络后推送到收消息的人的输入设备:
网卡,将网卡数据加载到内存后被CPU处理了交给显示器显示收到的消息!
- 案例二: 微信发文件与接受文件
与发消息不同,发送文件是从自己的
磁盘中将文件拷贝一份后加载到内存经过CPU处理后推送到输出设备网卡上
要接受文件的人在经过网络后在网卡上
收到此文件,最终将文件存储至自己的
磁盘上
结论:
以上案例只是想让大家更深一步了解硬件
之间的关系,并且输入输出设备不止有
键盘和显示器,还有其他的硬件也能传递信息
5. 校长对学生的管理
操作系统的本质其实就是一款软件
是一款进行软硬件资源管理的软件
我们今天主要把下图的后三个阶段讲明白:
那么,操作系统是怎样管理硬件的呢?
现在给大家讲一个小故事:
在公司里有人员管理系统,而在学校里
有教务系统,就是用于管理学生的系统
假如杭电的朱校长是一个程序员,最开始
学校只有100人,朱校长一个人就可以
管理好它们的生活起居和学习运动
但是有一个杭电扩招了,现在有5万个学生
朱校长一想这样不行,我得写一段代码让
计算机帮我管理杭电得学生,写了一个结构体
cpp
struct student
{
int age;
int height;
int grade;
string name;
......
}学生太多了又不易保存和查找
于是校长将学生以链表得方式链接在一起
cpp
struct student
{
struct student* next;
int age;
int height;
int grade;
string name;
......
}
如果李四或者赵六有一门挂科了
那么校长就打开代码编译器,找到
李四和赵六将他们的状态改为挂科!
结论: 校长管理学生不是真正的人
而是在管理学生对应的数据
6. 操作系统对硬件的管理
和校长管理学生一样,操作系统也不是直接
管理硬件,而是管理硬件映射出来的信息
和校长创建的结构体类似,操作系统也会对
各个硬件创建一个结构体,结构体中存放
硬件的各种信息和健康状态等等,再通过
链表或者其他数据结构将这些
结构体一一链接起来统一管理!
管理这些硬件或学生需要做到
先描述,再管理
操作系统的管理核心有:
- 进程管理
- 内存管理
- 文件/IO管理
- 驱动管理
这里管理都要遵循一个原则,那就是:
先描述,再管理
要管理进程得先描述进程得性质
内存管理管理得是内存,首先要描述内存
然而C/C++得结构体正好可实现这功能
操作系统将软件硬件管理好并不是它的目的
它得目的是给用户提供良好得,稳定,高效,安全
得使用环境,而管理只是一种手段
再看此图:
每一个硬件都有对应的驱动程序来做管理
像键盘,鼠标,U盘等等都有对应的驱动程序
然后操作系统再通过这一整套成熟的驱动
程序来管理下层的硬件!并且在此基础上衍生
出各种软件业务,和用户服务!
7. 总结
本篇文章的内容大家要有一个基本的认识
然而虽然说操作系统是为用户提供服务的
但是它并不相信用户,因为群众中可能有坏人
就像银行一样,为你提供服务但是不信任你
于是在操作系统和用户之间还有系统调用窗口
和shell外壳来阻止群众中的坏人直接获取
Linux内核中的各种信息!
系统调用说白了就是操作系统给用户提供了一个又一个的函数用户通过调用函数来获取操作系统内的各种数据,然而函数是操作系统内部写的,所以你只能看到有限部分的数据