冯诺依曼体系结构
数学家冯·诺依曼提出了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。我们常见的计算机,如笔记本。我们不常见的计算机,如服务器,大部分都遵守冯诺依曼体系。
(1)运算器:计算机中执行各种算术和逻辑运算操作的部件。运算器的基本操作包括加、减、乘、除四则运算,与、或、非、异或等逻辑操作,以及移位、比较和传送等操作,亦称算术逻辑部件(ALU);
(2)控制器:由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成,它是发布命令的“决策机构”,即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。运算器和控制器统称中央处理器,也叫做CPU。中央处理器是电脑的心脏;
(3)存储器:存储器分为内存和外存。内存是电脑的记忆部件,用于存放电脑运行中的原始数据、中间结果以及指示电脑工作的程序。外存就像笔记本一样,用来存放一些需要长期保存的程序或数据,断电后也不会丢失,容量比较大,但存取速度慢。当电脑要执行外存里的程序,处理外存中的数据时,需要先把外存里的数据读入内存,然后中央处理器才能进行处理。外存储器包括硬盘、光盘和U盘;
(4)输入设备:输入设备是向计算机输入数据和信息的设备。是计算机与用户或其他设备通信的桥梁。输入设备是用户和计算机系统之间进行信息交换的主要装置之一。键盘,鼠标,摄像头,扫描仪,光笔等都属于输入设备。
(5)输出设备:是计算机硬件系统的终端设备,用于接收计算机数据的输出显示、打印、声音、控制外围设备操作等。也是把各种计算结果数据或信息以数字、字符、图像、声音等形式表现出来。常见的输出设备有显示器、打印机等。
截至目前,我们所认识的计算机,都是由一个个的硬件组件组成
- 输入单元:包括键盘, 鼠标,扫描仪, 写板等
- 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
理解冯诺依曼体系结构
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。
问:输入设备输入的数据交给CPU处理过后,直接给输出设备进行输出就好了呀,为什么还需要存储器呢?
答:因为输入,输出设备是外围设备,简称外设,外设一般都会比较慢一些,与磁盘相比较,内存有掉电易失性,且价格比较贵,但是磁盘比较慢。
我们知道cpu是最快的,如果只有输入输出设备和cpu,根据木桶原理,整体效率就以外设为主了,为了解决这个问题,所以引入内存。内存的速度比CPU慢,比外设快,因为有了内存的存在,我们可以对数据进行预加载,那么cpu以后在进行数据计算的时候,根本就不需要访问外设了,而只要伸手向内存要就可以。所以内存的作用之一就是防止外设和CPU速度不匹配的问题。
理解:可执行程序是一个文件->存储在磁盘(外设)中->为什么我们的程序必须先被加载到内存中?->由冯诺依曼体系结构决定。
结论一:在数据层面,一般CPU不和外设直接打交道,而是直接只和内存打交道。
问:为什么我们没有看到数据被加载到内存的过程?
其实我们在Windows下双击一个程序或者在Linux下./运行一个程序的时候,数据就会从外设加载到内存。
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。问?在硬件层面,单机和跨主机之间数据流是如何流向的?
例如,你用微信,给你的朋友发了一个“在嘛?”,你登录微信,会将微信输入到内存中,键盘(输入设备)输入消息到内存,通过CPU进行计算,将结果数据给内存,内存把数据给输出设备进行输出,你发送的信息你自己能看到,你的朋友也能看到,所以在你的显示器把数据刷新一下就可以看到数据了,同时,把数据发送到网卡,网卡把数据发送到网络里,最终你的朋友就通过输入设备(网卡),接收到你的消息,数据再通过->内存->CPU解密操作->将数据写回内存->你朋友的显示屏上。
结论二:在数据层面,外设只会和内存打交道。
操作系统概念与定位
概念
简单一句话来说——>操作系统是一款进行软硬件资源管理的软件。
管理模型:我们通过一个形象的生活例子,来感性理解一下操作系统:我们在大学中的身份是学生,大学内还有校长,辅导员。其中校长是做决策的,属于管理者;辅导员进行决策的执行;我们这些大学牲是被管理者,参与决策的执行。但是,我们很少见到校长,也就是说管理者和被管理者,其实是不需要直接沟通的,管理者和被管理者没有直接沟通,那么他如何管理学生呢?答案是通过辅导员统计的学生数据,对被管理对象的数据进行管理。
管理的本质:先描述(设备型号,属性等),再组织(通过数据结构进行组织)。
计算机管理模型
问:操作系统为什么要对软硬件资源进行管理?
操作系统对下通过管理好软硬件资源(手段),对上给用户提供良好(安全,稳定,高效,功能丰富等)的执行环境(目的)。
注意,操作系统给我们提供非常良好的服务,并不代表操作系统相信我们,反之,操作系统不相信如何人!!!。在计算机软硬件体系结构中,操作系统会提供给我们一些列的接口,这些接口被称为系统调用。就比如C语言的头文件stdio.h,其中就包含了很多IO接口,文件操作的底层也是使用了操作系统中关于文件的系统调用,能保证操作系统自身的封装性,又能保证给用户开发者提供良好的功能。
计算机的软硬件体系结构图
总结:
计算机管理硬件:
- 描述起来,用struct结构体
- 组织起来,用链表或其他高效的数据结构
系统调用和库函数概念
- 在开发角度,操作系统对外会表现成一个整体,但是会暴露自己的部分接口,供上层开发使用,这部分由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,就很有利于上层用户或者开发者进行二次开发。
进程
基本概念
课本上关于进程的概念往往是难以理解的文字描述,例如进程是程序的一个执行实例或者正在执行的程序等等。
内核观点:担当分配系统资源(CPU时间,内存)的实体。
上图的意思是,当运行一个程序时,需要先将磁盘中对应的可执行程序(二进制文件)的代码和数据加载到内存中,那么将可执行文件加载到内存中,就是进程了嘛?就比如现实中,将社会上的人比作可执行文件,将大学比作内存,社会上的人进入我们学校,他就成为学校的学生了嘛?of course not,当然不是!想要成为一名大学学生,还需要将个人的信息档案等录入到学校的系统中等等一系列的操作,加载到内存中的可执行程序也一样,还需要内核中关于进程的相关数据结构,例如图上的pcb/task_struct(进程控制块)用来描述已加载到内存中的可执行程序的属性等等。当多个程序一起执行的时候,就需要多个pcb来描述进程的属性结构,并通过数据结构将这些进程关联起来,通过优先级交给CPU进行处理。
以上是关于进程的感性理解,涉及到管理模型:先描述,再组织。
总结:
进程 = 内核关于进程的数据结构 + 当前进程的代码和数据。文章来源:https://www.toymoban.com/news/detail-424752.html
描述进程–PCB
- 进程信息被放在一个叫做进程控制块的数据结构中,可以理解为进程属性的集合。
- 课本上称之为PCB(process control block),Linux操作系统下的PCB是: task_struct
- task_struct是Linux内核的一种数据结构,它会被装载到RAM(内存)里并且包含着进程的信息。
task_struct内容分类
- 标识符:描述本进程的唯一标识符,用来区别其他进程。(类似于学生的学号)
- 状态:有任务状态,退出代码,退出信号等。
- 优先级:相对于其他进程的优先级。
- 程序计数器:程序中即将被执行的下一条指令的地址。
- 内存指针:包括程序代码和进程相关数据的指针,还有其它进程共享的内存块的指针。
- 上下文数据:数据执行时处理器的寄存器中的数据。
- I/O状态信息:可能包括处理器时间总和,使用的时钟数总和,时间限制,记账号等。
- 其他信息。
组织进程
可以在内核源代码里找到它。所有运行在系统里的进程都以task_struct链表的形式存在内核里。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-424752.html
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