【Linux】程序员的易筋经——冯诺依曼体系结构

冯诺伊曼体系结构

概念

下图是描述冯诺依曼体系结构的一张图。
计算机的本质是为了数据的计算处理。所以，需要有设备将数据提供给计算机，那就是输入设备。同样地，也需要有设备存放计算之后的数据或者将数据呈现给使用者，即输出设备。
数据从输入设备到存储器，再由存储器到 CPU，CPU处理之后，将结果返回给存储器，存储器再将结果交给输出设备。（控制指令除外。）

我们可以看一下该体系结构下， 各个设备的一些例子。

输入设备：键盘、话筒、摄像头、网卡、磁盘等等。
输出设备：显示器、磁盘、网卡、声卡、音响等等。
存储器：内存。
CPU(中央处理器)：运算器、控制器。

内存的重要性

在理解了各个器件的作用之后，不免疑惑，内存存在的意义是什么呢？为什么不可以让输入设备和输出设备直接和 CPU 相连，这样岂不是方便一些。

首先要了解，一般而言将 输入设备 和 输出设备 称作“外设”。
其次，外设一般而言速度会比较慢。

但是，CPU 的运行速度很快。所以，如果去掉存储器，只剩下CPU 和外设，这样子当然也是可以运行到，但是根据木桶效应，整个系统的运行速度就以外设的运行速度为主（前面说到，外设运行速度是比较慢的）。所以，为了防止这种现象的发生，所以就有了存储器。

存储器的运行速度远比外设大得多，但是比不上 CPU 。如果说外设是 毫秒级别，CPU 是纳秒级别，那么存储器就是 微秒级别 。
并且，存储器有一个特点，就是可以临时存储数据。如果 CPU 现在有两个任务A、B要处理，在处理 A 任务的同时，B任务的数据也被加载进内存（存储器），所以CPU执行完 A 任务，就可以立马向内存索要 B 任务的数据。而不是执行完A任务之后，等内存先向外设要数据，CPU再从内存要数据。

所以，有了内存之后，我们就可以对数据做预加载，CPU在进行数据计算的时候，根本不需要访问外设，只需要向内存要数据就可以。解决了外设和CPU速度不匹配的问题，这就是存储器存在的意义。

结论：

• 在数据层面，一般而言 CPU 不直接和外设直接沟通，而是和内存打交道。

到这里，我们就可以理解为什么程序在运行前，必须要被加载到内存。这是因为体系结构决定的，可执行程序是一个文件，在磁盘（外设）里面，程序要被 CPU 运行，而CPU只和内存打交道。

操作系统（Operating System）

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(OS)。笼统的理解，操作系统包括：

• 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程序等等）

对于内核，常见的就是windows 、Mac 、Linux 、Unix 等等。

目的

设计操作系统肯定是为了达到某种功能，其目的如下：

• 与硬件交互，管理所有的软硬件资源
• 为用户程序（应用程序）提供一个良好的执行环境

定位

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。
那么如何理解“管理”就成了理解操作系统的重中之重。

• 管理的例子
• 描述被管理的对象
• 组织被管理的对象

以一个学校为例。学校里的学生就相当于计算机里面的“资源”。
要描述计算机里面的“资源”，就需要对其进行一定的描述。比如一个大学校园，每一个学生都有自己的“学号”，知道了学号，就知道了这个学生是谁，相当于是学生的唯一标识。当然，“描述”并不只是说记录一个“学号”那么简单，还要记录其他信息。
描述了对象，就要用一定的数据结构对其进行组织。比如学校里的学生信息，可以被存在一个个结构体里面，然后以链表的形式存储（当然也可以是顺序表），要找到某些学生，用一定的算法就可以。计算机里面的资源同理。

如下，操作系统对下进行硬件的管理；对上进行应用软件的管理，和对用户的交互，为上层用户、应用程序提供简单易用的服务。操作系统是一种系统软件。

操作系统对用户提供良好的服务，并不代表着它就相信用户了，相反，操作系统不相信任何用户！！！
这就和银行一样，银行为储户提供服务，但是储户都是通过小窗口办理业务，而不是直接进银行金库去进行存取。操作系统同理，为了防止计算机的硬件被破坏，操作系统只向上提供一些接口，供上层开发使用，也可以被称作系统调用。
但是，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。当然，建立于系统调用之上的，还有 GUI，shell 等等。

特征

操作系统有如下四个特征，其中，并发和共享是操作系统最基本的两个特征。

• 并发：指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。宏观上是同时发生的,但微观上是交替发生的。
• 共享
  • 互斥共享：同一个时间段只允许一个进程访问资源(摄像头/麦克风)。
  • 同步共享：允许一个时间段多个进程“同时”(宏观上)访问某些资源（微观上是分时共享），比如硬盘读写。
• 虚拟：虚拟是指把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物。物理实体(前者)是实际存在的,而逻辑上对应物(后者)是用户感受到的。
  • 空分复用技术（虚拟储存技术）：物理4GB内存，用户看来远大于4GB。
  • 时分复用技术（虚拟处理机技术）：一个CPU看上去是几个CPU,多个程序并发运行。
• 异步：异步是指,在多道程序环境下,允许多个程序并发执行,但由于资源有限,进程的执行不是一贯到底的,是走走停停（等待资源进程阻塞）,以不可预知的速度向前推异步性。

发展和分类

早期计算机是没有操作系统的，经过一代代的优化，才有了如今各种各样的操作系统。其发展历史大概如下（从上到下 —> 从早到晚）：

• 手工操作阶段：输入输出靠纸带打孔，效率极低。
• 批处理阶段
  • 单道批处理系统：引入了脱机输入/输出技术（磁带），通过监督程序（操作系统雏形）控制作业输入输出。缓解了人机速度矛盾，提高了资源利用率，但是CPU是串行的（处理完一个再处理下一个），大量CPU时间浪费在I/O等待。
  • 多道批处理系统：磁带往内存输入多道程序，并发执行，输入、计算、输出互不干扰。自此操作系统诞生，引入了中断技术。
• 分时操作系统：计算机以时间片为单位轮流为各个用户/作业服务,各个用户可通过终端与计算机进行交互。
• 实时操作系统：优先响应一些紧急任务,某些紧急任务不需时间片排队。
  • 硬实时系统：必需在绝对严格的时间内完成处理。
  • 软实时系统：能接受偶尔违反时间规定。
• 网络操作系统
• 分布式操作系统
• PC操作系统：比如 Windows，Mac OS，Ubuntu 等等。

运行机制

• 指令
  • 特权指令：只能在核心态下使用。比如：启动I/O 内存清零 设置时钟 允许/禁止终端 停机
  • 非特权指令：核心态、非核心态都可以使用。 比如：控制转移 算数运算 取数指令 访管指令
• 处理器状态（用程序状态寄存器PSW中某标志位来标识，0为用户态，1为核心态）
  • 用户态：运行用户程序，只能使用非特权指令。
  • 核心态：运行操作系统程序。该状态下可以使用任何指令（唯一例外：防管指令，该指令执行后进入核心态）。
• 程序
  • 应用程序：运行在用户态。
  • 内核程序：系统管理者，运行在核心态。

体系结构

• 大内核：将操作系统的主要功能模块都作为系统内核，运行在核心态高性能，但是内核代码庞大难以维护。
• 微内核：只把基本概念保留在内核功能少，功能清晰方便维护，但是需要频繁的在核心态和用户态之间切换，性能低。

对于冯诺依曼体系结构和操作系统的简单理解就到这里啦。