【Linux系统】计算机世界的基石：冯诺依曼架构与操作系统设计

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）提供⼀个良好的执行环境（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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