【Linux进程】冯·诺依曼体系结构以及操作系统的深入理解

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1.冯·诺依曼体系结构

冯·诺依曼体系结构，也被称为普林斯顿结构，是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构。在这种结构中，程序指令和数据在内存中是没有区别的，它们都是内存中的数据。当EIP指针指向哪CPU就加载那段内存中的数据，如果是不正确的指令格式，CPU就会发生错误中断。在现在CPU的保护模式中，每个内存段都有其描述符，这个描述符记录着这个内存段的访问权限（可读，可写，可执行）。这就变相的指定了哪些内存中存储的是指令哪些是数据。指令和数据都可以送到运算器进行运算，即由指令组成的程序是可以修改的。

特点

冯·诺依曼体系结构还包括以下特点：

1. 存储器是按地址访问的线性编址的一维结构，每个单元的位数是固定的。
2. 指令由操作码和地址组成。操作码指明本指令的操作类型，地址码指明操作数和地址。操作数本身无数据类型的标志，它的数据类型由操作码确定。
3. 通过执行指令直接发出控制信号控制计算机的操作。指令在存储器中按其执行顺序存放，由指令计数器指明要执行的指令所在的单元地址。指令计数器只有一个，一般按顺序递增，但执行顺序可按运算结果或当时的外界条件而改变。
4. 以运算器为中心，I/O设备与存储器间的数据传送都要经过运算器。
5. 数据以二进制表示。冯·诺依曼提出的计算机制造的三个基本原则，即采用二进制逻辑、程序存储执行以及计算机由五个部分组成（运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备），这套理论被称为冯·诺依曼体系结构。

组成剖析

cpu：运算器&&控制器
输入设备：话筒、摄像头、键盘、鼠标、磁盘等
输出设备：声卡、显卡网卡、磁盘、显示器、打印机等
存储器：内存—掉电易失

手机制造商们把CPU、内存、网络通信，乃至摄像头芯片，都封装到一个芯片，然后再嵌入到手机主板上，即SoC，System on a Chip（系统芯片）。但无论是PC/服务器/手机都遵循冯·诺依曼体系结构（Von Neumann architecture），也叫存储程序计算机，意味着“可编程”、“存储”计算机。

计算机由各种门电路组成完成计算程序。一旦需要修改功能，就要重新组装电路。这样的话，计算机就是“不可编程”的，因为程序在计算机硬件层面是“写死”的。最常见的就是老式计算器，电路板设好了加减乘除，做不了任何计算逻辑固定之外的事情。

再看“存储”计算机。程序存储在计算机内存，可通过加载不同程序解决不同问题。

不能存储程序的计算机
早年“Plugboard”这种插线板计算机，在板子上不同的插头或者接口的位置插入线路实现不同功能。这样的计算机“可编程”，但编写好的程序不能存储下来供下一次加载使用，不得不每次要用到和当前不同的“程序”的时候，重新插板子，重新“编程”。

为了效率，有了“存储程序计算机”。冯基于在秘密开发的EDVAC写了一篇报告First Draft of a Report on the EDVAC，描述了一台计算机什么样。

1. 包含处理器单元（Processing Unit）：

算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）
处理器寄存器（Processor Register）
完成各种算术和逻辑运算。

因为它能够完成各种数据的处理或者计算工作，因此也有人把这个叫作数据通路（Datapath）或者运算器。

2. 包含控制器单元（Control Unit/CU）：

指令寄存器（Instruction Reigster）
程序计数器（Program Counter）
控制程序的流程，通常就是不同条件下的分支和跳转。
算术逻辑单元和控制器单元组成CPU。

关于冯诺依曼，必须强调几点：

这里的存储器指的是内存
不考虑缓存情况，这里的CPU能且只能对内存进行读写，不能访问外设(输入或输出设备)
外设(输入或输出设备)要输入或者输出数据，也只能写入内存或者从内存中读取。
一句话，所有设备都只能直接和内存打交道

为什么要有内存？

内存，也称为内存储器，是计算机系统中用于暂时存放CPU中的运算数据以及与硬盘等外部存储器交换的数据的硬件组件。内存的存在主要有以下几个原因：

1. 速度匹配：CPU的速度非常快，通常以GHz为单位，而硬盘的传输速度相对较慢，通常不到200MB/s。内存的速度介于CPU缓存和硬盘之间，能够快速地与CPU交换数据，从而提高系统的整体性能。
2. 容量扩展：CPU的缓存空间有限，无法存储大量的数据。内存提供了更大的存储容量，使得操作系统和应用程序能够临时存储更多的数据，以便快速地与CPU交换，从而提高系统的运行效率。
3. 数据管理：内存中存储的数据包括程序的全局变量、局部变量等，这些数据对程序的运行至关重要。内存管理是编程中的一个重要话题，它涉及到数据的组织、存储和处理，对于程序的正确运行至关重要。
4. 系统稳定性：内存的运行也决定了计算机的稳定运行。如果内存不足，CPU需要从硬盘中读取数据，这会导致系统卡顿，甚至可能出现黑屏或游戏跳出的情况。
   综上所述，内存的存在是为了解决CPU与外部存储器之间速度和容量的矛盾，提高系统的运行效率和稳定性。

2.操作系统

计算机是一台机器，它按照用户的要求接收信息、存储数据、处理数据，然后再将处理结果输出（文字、图片、音频、视频等）。计算机由硬件和软件组成：

硬件是计算机赖以工作的实体，包括显示器、键盘、鼠标、硬盘、CPU、主板等；
软件会按照用户的要求协调整台计算机的工作，比如 Windows、Linux、Mac OS、Android 等操作系统，以及 Office、QQ、迅雷、微信等应用程序。

操作系统（Operating System，OS）是软件的一部分，它是硬件基础上的第一层软件，是硬件和其它软件沟通的桥梁（或者说接口、中间人、中介等）。

操作系统会控制其他程序运行，管理系统资源，提供最基本的计算功能，如管理及配置内存、决定系统资源供需的优先次序等，同时还提供一些基本的服务程序，例如：

1. 文件系统
   提供计算机存储信息的结构，信息存储在文件中，文件主要存储在计算机的内部硬盘里，在目录的分层结构中组织文件。文件系统为操作系统提供了组织管理数据的方式。
2. 设备驱动程序
   提供连接计算机的每个硬件设备的接口，设备驱动器使程序能够写入设备，而不需要了解执行每个硬件的细节。简单来说，就是让你能吃到鸡蛋，但不用养一只鸡。
3. 用户接口
   操作系统需要为用户提供一种运行程序和访问文件系统的方法。如常用的 Windows 图形界面，可以理解为一种用户与操作系统交互的方式；智能手机的 Android 或 iOS 系统，也是一种操作系统的交互方式。
4. 系统服务程序
   当计算机启动时，会自启动许多系统服务程序，执行安装文件系统、启动网络服务、运行预定任务等操作。

打个比方，操作系统就好像是一个政府，其它软件都会被它管控；操作系统在给其他软件提供各种便利的同时，还会约束其他软件不能为所欲为。
目前流行的服务器和 PC 端操作系统有 Linux、Windows、UNIX 等，手机操作系统有 Android、iOS、Windows Phone（简称 WP），嵌入式操作系统有 Windows CE、PalmOS、eCos、uClinux 等。

我们宏观地看待从用户到底层硬件的交互如下图：

为什么要有操作系统？

操作系统在计算机系统中扮演着至关重要的角色。它不仅管理着计算机硬件资源的分配和调度，而且为上层应用软件提供了方便的接口，确保了计算机系统的安全和稳定。具体来说：

1. 资源管理：操作系统负责协调计算机的各个资源，确保程序能够有效地使用硬件资源，同时避免资源冲突和资源浪费。
2. 接口提供：操作系统提供了一系列的底层接口和上层标准，使得不同硬件平台上的软件能够互通，减少了软件开发者的工作量，因为它们只需关注操作系统的标准接口。
3. 硬件封装：操作系统向下封装了硬件的细节，向上提供给用户和应用程序一个简洁、易于使用的接口，使得用户和应用程序员无需了解复杂的硬件细节。
4. .安全与稳定：操作系统通过防火墙、监测程序和补丁等方式，保护计算机免受恶意程序和电脑病毒的侵害，确保了系统的运行稳定。
5. 商业考量：操作系统通常由商业公司提供，这些公司可能会通过操作系统提供增值服务或进行商业变现，如苹果的App Store和微软的Windows Store。
   综上所述，操作系统的存在是为了简化用户和应用程序员的操作，提高计算机系统的资源利用率，确保系统的安全性和稳定性，以及为商业公司提供盈利的机会。

那么操作系统如何对它们进行管理呢？首先，对一个事务进行管理，我们首先要对它进行建模，即先描述，再组织；先描述，就要先对它的属性进行分析，重要属性的分析就代表这个事务；所以，操作系统要管理某个资源，就要先对它描述，即分析它的属性，对它建模，再进行组织，组织后进行管理。假设操作系统要管理某一个资源，可以将它描述成一个链表，那么就可以看成操作系统对这个链表进行资源管理。

总结，计算机管理硬件/操作系统管理资源