【Linux深入剖析】冯·诺依曼体系结构以及操作系统的深入理解

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了【Linux深入剖析】冯·诺依曼体系结构以及操作系统的深入理解。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方,请大家不吝赐教,您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。


【Linux深入剖析】冯·诺依曼体系结构以及操作系统的深入理解,linux学习,linux,java,运维
🍁你好,我是 RO-BERRY
📗 致力于C、C++、数据结构、TCP/IP、数据库等等一系列知识
🎄感谢你的陪伴与支持 ,故事既有了开头,就要画上一个完美的句号,让我们一起加油


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

【Linux深入剖析】冯·诺依曼体系结构以及操作系统的深入理解,linux学习,linux,java,运维

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。

  1. 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
【Linux深入剖析】冯·诺依曼体系结构以及操作系统的深入理解,linux学习,linux,java,运维

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/操作系统管理资源文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-840835.html

到了这里,关于【Linux深入剖析】冯·诺依曼体系结构以及操作系统的深入理解的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容,请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章,希望大家以后多多支持TOY模板网!

本文来自互联网用户投稿,该文观点仅代表作者本人,不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如若转载,请注明出处: 如若内容造成侵权/违法违规/事实不符,请点击违法举报进行投诉反馈,一经查实,立即删除!

领支付宝红包 赞助服务器费用

相关文章

  • 【Linux】冯诺依曼体系结构思想

    🎉博客主页:小智_x0___0x_ 🎉欢迎关注:👍点赞🙌收藏✍️留言 🎉系列专栏:Linux入门到精通 🎉代码仓库:小智的代码仓库 我们常见的计算机,比如笔记本,还有我们不常见的计算机,比如服务器,大部分都遵守冯诺依曼体系。 当我们谈论计算机的体系结构时,冯·诺依

    2024年02月16日
    浏览(44)
  • 【Linux系统编程】冯诺依曼体系结构

    目录 前言 什么是冯诺依曼体系结构? 冯诺依曼体系结构如何进行数据处理的? 存储器在冯诺依曼体系中有什么作用? 冯诺依曼体系结构为什么要这样设计? 冯诺依曼结构总结 相信对于冯诺依曼这个人的名字大家一定不会感到陌生,他被称为“现代计算机之父” 而在他生

    2024年02月14日
    浏览(41)
  • Linux ----冯诺依曼体系结构与操作系统

    目录 前言 一、冯诺依曼体系结构 二、为什么选择冯诺依曼体系结构? 三、使用冯诺依曼结构解释问题 问题1: 问题2: 四、操作系统 1.操作系统是什么 2.为什么需要操作系统 3.操作系统怎样管理的 4.如何给用户提供良好环境 五、我们是怎样调用系统接口的 六、总结  了解冯

    2024年02月02日
    浏览(45)
  • 【Linux从入门到精通】了解冯诺依曼体系结构

      本片文章会对 冯诺依曼体系结构 进行详解。同时,我们 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。本片文章同时也会对 数据在冯诺依曼结构上的交互 进行讲解。希望本篇文章会对你有所所帮助。   文章目录 一、简单认识冯诺依曼体系结构

    2024年02月03日
    浏览(54)
  • 【Linux】冯.诺依曼体系结构与操作系统

    环境:centos7.6,腾讯云服务器 Linux文章都放在了专栏:【 Linux 】欢迎支持订阅 🌹 什么是冯诺依曼体系结构? 我们如今的计算机比如笔记本,或者是服务器,基本上都 遵循冯诺依曼体系结构 ,所谓冯诺依曼体系实际上就是我们的计算机是由以下这些硬件构成: 输入设备 、

    2024年02月03日
    浏览(41)
  • 【Linux】冯诺依曼体系结构 && 操作系统 && 进程概念

    目录 一、冯诺依曼体系结构 二、操作系统  1、概念  2、设计OS的目的 三、进程  1、基本概念  2、描述进程-PCB  3、组织进程  4、查看进程和终止  5、通过系统调用获取进程标识符  6、通过系统调用创建进程-fork  7、进程状态  8、特殊进程    8.1 僵尸进程    8.2 孤儿进

    2024年02月10日
    浏览(57)
  • 【Linux】冯诺依曼体系结构和操作系统概念

    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。 现代计算机发展所遵循的基本结构形式始终是冯·诺依曼机结构。这

    2024年02月02日
    浏览(53)
  • 『Linux升级路』冯诺依曼体系结构与操作系统

    🔥 博客主页: 小王又困了 📚 系列专栏: Linux 🌟 人之为学,不日近则日退 ❤️ 感谢大家点赞👍收藏⭐评论✍️ 目录 一、冯诺依曼体系结构 📒1.1为什么要有体系结构 📒1.2硬件介绍 📝1.2.1中央处理器 📝1.2.2输入、输出设备  📝1.2.3存储器  📝1.24.总线概念  📒1.3内存

    2024年02月04日
    浏览(50)
  • 【Linux】冯诺依曼体系结构与操作系统及其进程

    作者简介:დ旧言~,目前大二,现在学习Java,c,c++,Python等 座右铭:松树千年终是朽,槿花一日自为荣。 目标:了解冯诺依曼体系结构与操作系统,掌握Linux的进程 毒鸡汤:一花凋零荒芜不了整个春天,一次挫折也荒废不了整个人生。 望小伙伴们点赞👍收藏✨加关注哟💕

    2024年02月04日
    浏览(43)
  • 【Linux】系统初识之冯诺依曼体系结构与操作系统

    👀 樊梓慕: 个人主页  🎥 个人专栏: 《C语言》《数据结构》《蓝桥杯试题》《LeetCode刷题笔记》《实训项目》《C++》《Linux》 🌝 每一个不曾起舞的日子,都是对生命的辜负 目录 前言 1.冯诺依曼体系结构 2.操作系统(OS) (1)用户到操作系统再到底层是如何组织的? (

    2024年02月05日
    浏览(54)

觉得文章有用就打赏一下文章作者

支付宝扫一扫打赏

博客赞助

微信扫一扫打赏

请作者喝杯咖啡吧~博客赞助

支付宝扫一扫领取红包,优惠每天领

二维码1

领取红包

二维码2

领红包