Linux:深入理解冯诺依曼结构与操作系统

目录

1. 冯诺依曼体系结构

1.1 结构分析

1.2 存储结构分布图

2. 操作系统

2.1 概念

2.2 如何管理

2.3 什么是系统调用和库函数


1. 冯诺依曼体系结构

1.1 结构分析

不管是何种计算机,如个人笔记本电脑,服务器,都是遵循冯诺依曼结构。

 计算机中都是又一个个硬件组件组成。

  • 输入单元:包括键盘、鼠标、扫描仪
  • 中央处理器(CPU):含有运算器和控制器等
  • 输出单元:显示器、打印机等

不过需要注意的是:

  • 这里的存储器指的是内存。
  • 外设一般指的是输入设备和输出设备。
  • 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。
  • 外设要输入或者输出数据,也只能写入内存或者从内存中读取。

也就是说,所有设备都只能直接和内存进行写入写出操作

1.2 存储结构分布图

由最高层到最底层的存储设备,容量越大,读写速度越慢,成本更低

  • Register:寄存器。
  • L1/L2/L3 Cache:一级/二级/三级/高速缓冲存储器。
  • Memory:内存。
  • SSD:固态硬盘。
  • HDD:机械硬盘。
  • 还有一些远程网络服务器上的存储。

冯·诺依曼体系结构无疑是一个划时代的伟大发明。尽管高级存储器,如寄存器和缓存,拥有极其迅速的数据读写能力,但它们的容量有限,且成本高昂。若将它们作为电脑的主要存储介质,其昂贵的造价无疑超出了普通消费者的承受范围。另一方面,固态硬盘和机械硬盘虽然提供了较大的存储空间且价格亲民,但其相对较慢的数据读写速度却难以满足高性能计算的需求。

内存,作为一种折中的解决方案,其容量相较于高级存储器更大,而访问速度又远超硬盘。因此,内存扮演了至关重要的角色,它如同桥梁一般,将高速的高级存储器与读写速度较慢的外设连接起来。这样的设计不仅平衡了数据读写速度,还将成本控制在了一个大众能够接受的范围内。这一创新使得个人电脑得以普及,推动了计算机行业的飞速发展。

2. 操作系统

2.1 概念

操作系统Operating System,简称OS)是管理计算机硬件与软件资源系统软件。它与硬件交互,执行管理任务。常见的操作系统有Windows、macOS、Linux、Harmony OS和Android。

笼统的讲,操作系统包含:

  • 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)

2.2 如何管理

那操作系统是如何进行管理的呢?我们来做一个类比。

在一家公司中,当员工数量较少时,可以直接对每位员工进行监督和管理。然而,随着公司规模的扩大,员工数量达到数百甚至上千,直接管理每位员工变得不再可行。此时,公司通常会采用分层管理的策略。

公司将根据业务需求划分为不同的部门,并为每个部门指派一位经理。在部门内部,经理会将员工分成若干个工作小组,每个小组由一名组长领导。如此一来,公司的高层只需管理几位部门经理,而每位经理则负责监督几个小组组长。小组组长则负责管理和协调组内成员的具体工作。通过这种层级化的管理结构,公司能够确保组织的高效运转和目标的达成。

 在下面的操作系统调用示例图中,用户发出任何指令,操作系统进行辨别,再调用硬件运行程序。这就类似我们上面的例子。

若作为公司高层,我们想查看新员工实际情况,不可能找新员工一个个询问。可以给每个员工做一份档案,里面包含姓名、年龄、工号、工种、学历和面试表现等。再让每个经理去采集各自员工的信息,从而建立员工档案。但是员工太多,我们看不完员工档案内容。

此时,假设我们作为程序员,我们只关心员工的属性,那么可以将员工抽象为一个结构体类型或者类,里面包含姓名、年龄、工号等属性。

 如下,在C语言中,使用结构体表示员工数据结构,里面包含许多员工属性。每增加一个员工,就要创建一个Employee类对象。仅仅这样的话,每个对象都是独立的不好管理,那么可以在结构体中加上指向下个对象的指针,这就构成了一个单链表。

如果公司需要接受某个项目,需要有相关技能的员工,就可以遍历整个链表,找出符合要求的员工,再指派其对应的经理安排工作。未来高层对员工的管理,变成对一个单链表进行增删查改操作。我们完成了一个对于公司员工管理工作的计算机层面的建模工作

 

那么操作系统是如何管理硬件的呢?

  • 虽然硬件有许多种,如硬盘和网卡,但是这些设备的属性都是相同的,有设备名,设备状态和设备编号等。我们可以创建一个device结构体类型,并使用链表数据结构(或者其他数据结构)组织起来许多device类对象。
  • 操作系统接收到用户的指令,通过数据结构管理,发送给驱动程序,驱动硬件运行。
  • 这种管理方法是先描述,再组织,即先将管理对象构建成一个类,再使用某个数据结构进行组织。任何计算机对象,管理的思路都遵守该原则

再引申出一个问题,为什么现在所有主流的面向对象语言,都要提供面向对象和标准库?其中包括C++的STL库

  • 因为在面向对象语言中,一切被管理的食物皆为对象,面向对象就提供描述的能力。标准库就提供数据结构组织该对象。

2.3 什么是系统调用和库函数

在上图中展示的系统中,硬件资源的调度是通过驱动程序来实现的。操作系统扮演着中介的角色,接收用户的指令,并通过调用相应设备的类对象来激活驱动程序。用户无法直接与操作系统交互,而是需要通过用户操作接口和系统调用(system call)来传达其请求。系统调用充当了用户与操作系统之间的桥梁。那么,为什么不允许用户直接调用操作系统呢?我们做个类比。

银行不仅仅拥有设备、桌椅板凳和仓库等硬件资源,更重要的是,它还需要工作人员进行管理和维护人员进行定期检修。银行的日常运营包括提供存取款和贷款服务,从这个角度来看,银行可以被视作一套完整的系统

假设小明来到银行,想要存入几百元现金。如果他直接将现金放入仓库,并自行在设备上登记存款信息,这显然是银行行长不可接受的。尽管大部分客户都是诚信的,但银行不能排除有人可能不遵守规则,从而对银行财产造成损失。因此,银行会设立对外开放的窗口,专门提供存取款服务。

那么我们可以将操作系统类比于银行,因为用户可能做些损害操作系统的操作,操作系统也不相信用户。

  • 因此,在开发角度,操作系统对外会表现为一个整体,但是会暴露自己的部分接口,供上层开发使用,这部分有操作系统提供的接口,叫做系统调用。
  • 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。


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