深入篇【Linux】学习必备:认识冯诺依曼系统+理解操作系统(‘‘管理‘‘)

深入篇【Linux】学习必备:认识冯诺依曼系统+理解操作系统(''管理'')

  • Ⅰ.冯诺依曼系统结构
    • 1.特点(what)
    • 2.理解(why)
    • 3.案例(how)
  • Ⅱ.操作系统概念与定位
    • 1.概念(what)
    • 2.设计OS目的(why)
    • 3.管理(how)

Ⅰ.冯诺依曼系统结构

1.特点(what)

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我们认识的计算机,都是由一个个的硬件组成的。

1.首先需要理解的是这里的存储器是什么?
存储器就是内存。
要注意比如磁盘U盘等不是内存,而是外存。

2.输入设备都有哪些呢?
键盘,鼠标,摄像头,话筒,磁盘,网卡。
其中当从磁盘中读取文件(数据)时,磁盘就属于输入设备。
当从网卡中读取信息时,网卡就属于输入设备。

3.输出设备都有什么呢?
显示器,打印机,播放器,磁盘,网卡。
其中当从磁盘中写入文件(数据)时,磁盘就属于输出设备。
当从网卡中发送信息时,网卡就属于输出设备。

4.输入设备与输出设备构成外设。

5.中央处理器(CPU)由两个硬件组成:运算器与控制器。
运算器:对输入的数据进行计算任务(算术运算,逻辑运算)
控制器:对我们的计算机硬件流出进行一定的控制

6.各个硬件单元必须要用"线"链接起来,这个线称为总线。
存储器与CPU之间交互的线称为系统总线。
外设与存储器之间交互的线称为IO总线。

对应冯诺依曼体系我们要重点记住它的特点:
1.不考虑缓存情况,这里的CPU接收或发送数据,只能从内存中读取或写入,不能直接访问外设。
2.外设要输入或输出数据,只能先写入内存或者从内存中读取。
总之,所有设备都只能直接与内存打交道。

2.理解(why)

我们可以从存储和效率两个方面来解释为什么。
1.一般这些设备都是具有存储能力的。
并且一般容量越大速度就越慢,离CPU就越远,所有存储是分级的。
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2.不能CPU直接与外设进行交互,因为它们的速度差太大了,根据木桶效应,最终的效率是取决于最差的传播效率的。所以如果CPU直接与外设进行交互,那么最终的效率就取决于外设的传播效率了。
所以为了适存,将内存放在它们之间作为过渡,因为内存的效率要比外设快的多,这样就可以提高效率了,也就是最终以内存的效率为主体。

3.内存可以作为硬件级别的缓存空间,输入设备输入数据时,可以先预存到内存里,当CPU忙完时,就直接可以从内存中获取数据直接计算,不需要等外设再输入到内存中了。所以说CPU是可以一遍加载,一边计算的,这个工作是由操作系统来完成。

3.案例(how)

1.我们在写代码,形成可执行程序时,可能经常听到这样一句话,一个程序要运行,必须要先加载到内存中才可以运行。
现在我们可以理解这句话真正的意思了,代码其实也就是数据,而数据想要被采集计算,就要先加载到内存中,才可以被CPU接收,然后输出数据给内存,内存再将数据写入外设中。
这正是冯诺依曼体系规定的。
2.对冯诺依曼的理解,不能停留在概念上,要深入到对软件数据流理解上。
比如,当你登上QQ开始和你的朋友聊天,这个过程之间数据是如何流动的呢?

①首先我们要理解QQ其实就是一个软件,一个程序,程序中都是数据,要想执行这个程序,也就是登上QQ,必须要将QQ加载到内存里。而
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②在你发送信息的过程中,你的键盘作为输入设备,将信息数据输入到内存中,由CPU处理再返回到内存中,然后从内存中将数据写入到网卡中(往网卡写入数据)。
③通过网络,你的朋友在QQ上接收到了信息。
④而你的朋友在收到信息的过程中,它的网卡相当于输入设备(从网卡中读取数据),数据加载到内存,经CPU处理,最终到了他的显示屏上去。

再比如,当你登上QQ,发送一个文件给你的朋友,这个过程中数据是如何流动的呢?

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①将文件发送给朋友这个过程,文件是在磁盘中的,所以要从磁盘中读取文件,磁盘也就作为输入设备,将文件数据加载到内存中,经CPU处理,返回给内存,最后从内存中写入到网卡中,网卡就作为输出设备了
②你的朋友在QQ端接收到文件,并下载下来的过程中,网卡作为输入设备,因为要从网卡中读取发送过来的文件数据,然后加载到内存中,经CPU处理,返回到内存中,可能有的人会想这个文件最后就是在内存中了,并不是的,我们知道,接收的文件关闭电脑后打开还是在的,但CPU内存是关机后数据就不存在了,所以最终文件并不在内存中,而是从内存中写入到了你的磁盘里。

Ⅱ.操作系统概念与定位

1.概念(what)

1.任何操作系统都包含一个基本的程序集合,称为操作系统OS。
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(函数库,shell程序等)

2.操作系统就是一款进行管理的软件!
不仅可以管理一堆硬件还管软件。
管理软硬件的方法就是提供一系列接口,计算机硬件与其他软件接口,用户和计算机的接口。

2.设计OS目的(why)

1.操作系统可以帮助用户管理好下面的软硬件资源。
2.为了给用户提供一个良好(稳定,高效,安全)的环境。
所以,操作系统通过管理好底层的软硬件资源(手段),为"用户"提供一个良好的执行环境(目的)。

这里的用户可以分为普通用户,和程序员。
其他普通用户用的也不是操作系统,而是由程序员在操作系统上开发的各种软件程序。所以更进一步的来说,这里的用户更多的是程序员。因为操作系统使用上很困难,普通用户不可能直接使用操作系统。用户使用的更多的是基于程序员开发的软件。

3.管理(how)

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1.操作系统如果要管理底层硬件,必须要有对应的驱动程序,才可以进行交互,不然无法交互。
2.操作系统如果想管理上层软件,需要使用系统调用接口来配合。

①操作系统里面,有各种数据,但是操作系统不相信任何用户,因为有点用户不怀好意,不允许用户随便更改他的数据和代码,所以操作系统决定要将自己封装起来。
②但操作系统一旦将自己封装起来,那么用户就无法使用,操作系统存在的意义就没有了,所以操作系统为了操作自己数据安全,也为了保证给用户能提供服务,操作系统以接口的方式给用户提供调用的接口,用户就可以获取操作系统内部的数据了。
③这些接口是操作系统提供的用C实现的,自己内部的函数调用----调用这些接口的行为称为系统调用。
④所有服务操作系统的行为,都只能通过系统调用完成!没有其他方式访问。
⑤系统调用的使用上来说,对于普通用户还是很困难,因此,有些开发者就对于部分系统调用进行适度的封装,进而形成了库。也就是说,库函数底层封装着系统调用的接口,这也是为什么库会在系统调用的上面。

3.操作系统与硬件是不需要直接进行交互的------那操作系统是如何管理硬件的呢?
操作系统只要能够得到硬件的相关消息,就可以在未来进行管理决策,所有管理的本质就是通过对数据的管理,达到对硬件的管理,而操作系统是如何拿到硬件的数据的呢?
通过驱动程序来获取硬件的数据!
4.但如果当获取的数据量太大了,就很难进行管理了,这该怎么办呢?
操作系统是这样做的:

①对要管理的的对象进行描述,通过对象的各种属性来设计一个结构体。也就是这个结构体里面都是该类对象的各种属性。通过属性的不同分类出不同的对象。
②将对象描述出来后,就将这些对象组织里来,可以使用链表将这些对象连接起来。
这样,操作系统就成功的对底层硬件的管理工作,转化成了对链表的增删查改。

【总结】计算机如何管理硬件,可以总结出6个字:先描述,再组织。
在操作系统中,管理任何对象,最终都可以转化成为对某种数据结构的增删查改。而操作系统包含了内存管理,文件管理,进程管理,驱动管理,这就注定了操作系统里,一定存在着大量的数据结构!

1.先描述起来,用struct结构体描述对象的各种属性。
2.再组织起来,用链表等其他数据结构将对象组织起来。

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