【Linux】进程学习（1）---理解进程概念-Toy模板网

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冯诺依曼体系结构

【Linux】进程学习（1）---理解进程概念

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

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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

【Linux】进程学习（1）---理解进程概念

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。
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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。