【Linux系统】计算机世界的基石:冯诺依曼架构与操作系统设计

文章目录
  • 一.冯诺依曼体系结构
    • [1.1 为什么体系结构中要存在内存?](#1.1 为什么体系结构中要存在内存?)
    • [1.2 冯诺依曼瓶颈](#1.2 冯诺依曼瓶颈)
  • 二.操作系统
    • [2.1 设计目的](#2.1 设计目的)
    • [2.2 系统调用与库函数](#2.2 系统调用与库函数)

一.冯诺依曼体系结构

冯诺依曼体系结构(Von Neumann Architecture)是计算机的基本设计理念之一,由美国数学家约翰·冯·诺依曼于1945年提出,也被称为"冯诺依曼模型"或"冯诺依曼计算机体系结构"。它的核心思想是将程序和数据存储在计算机的内存中,并通过中央处理单元(CPU)执行程序。冯诺依曼体系结构至今仍然是大多数计算机的基础架构。

  • 中央处理器(CPU):

    • 控制单元(CU):负责指挥计算机各部分的工作。

    • 算术逻辑单元(ALU):进行算术和逻辑运算。

    • 寄存器:用于暂时存储数据和指令。

  • 内存(RAM):

    • 存储程序和数据。冯诺依曼结构中的程序和数据都存储在同一内存中。
  • 输入设备:用于向计算机输入数据,例如键盘、鼠标等。

  • 输出设备:用于输出处理结果,例如显示器、打印机等。

  • 总线:用于在各个组件之间传输数据和指令的通道。

注意:

  1. 上面的存储器指的就是内存

  2. 不考虑缓存的情况下这里的CPU只能对内存中的数据进行操作,不能从外设 (输入和输出设备)中获取数据

  3. 外设(输入或输出设备)要输入或输出数据,只能从内存中获取

  4. 总的来说,所有设备都只能与内存打交道

1.1 为什么体系结构中要存在内存?

CPU处理速度非常快,但是输入数据的速度相较于CPU的速度是非常慢的,这就导致了很多时候CPU都在等待数据的输入,严重浪费了CPU的性能,所以增加内存,让CPU直接跟内存交换数据,充分发挥CPU的性能。(内存输入输出的数据的速度是非常快的)

计算机存储金字塔:

1.2 冯诺依曼瓶颈

冯诺依曼架构存在一个著名的问题,即"冯诺依曼瓶颈"(Von Neumann Bottleneck)。这是由于程序和数据共享同一个内存系统,CPU在执行指令时需要频繁地从内存读取指令和数据,导致内存的读写速度成为限制计算机性能的瓶颈。随着计算机硬件的不断发展,解决冯诺依曼瓶颈的问题成为计算机体系结构研究的一个重要方向。

总的来说,冯诺依曼体系结构让计算机保持一定处理速度的同时,降低了计算机的成本,使得计算机能够进入各家各户,为之后互联网的发展奠定了基础。

二.操作系统

操作系统(Operating System,简称OS)是管理计算机硬件与软件资源的系统软件,它为应用程序提供了一个运行环境,并为用户提供与计算机硬件交互的接口。

操作系统包括:

  1. 内核(进程管理,内存管理,文件管理,驱动管理)

  2. 其他程序(例如函数库,shell程序等等)

一般而言,操作系统指的是内核。

2.1 设计目的

  1. 操作系统对下与硬件交互,进行软硬资源的管理(手段)

  2. 操作系统对上为用户程序(应用程序)提供个良好的执行环境(目的)

软硬件体系结构是层状结构

  • 访问操作系统,其实就是系统调用(系统提供的函数)

  • 只要程序运行访问了硬件,那么必须贯穿整个软硬件体系结构

  • 函数库在底层封装了系统调用

2.2 系统调用与库函数

  1. 操作系统会暴露部分接口供上层开发者使用,这部分接口就是系统调用。

  2. 系统调用的功能比较基础,对使用者要求较高,所以一部分开发者将系统调用的接口进行封装,从而形成了库,有利于开发者进行二次开发。


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