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冯诺依曼体系结构与操作系统简介

收录于专栏[Linux学习]
本专栏旨在分享学习Linux的一点学习笔记，欢迎大家在评论区交流讨论💌

目录

1. 冯诺依曼结构体系介绍:

1.1 冯诺依曼体系结构图解 : 

1.2 冯诺依曼体系结构解释 : 

1.3 冯诺依曼体系结构的理解 : 

1.3.1 什么是内存?

1.3.2 为什么要有内存?

2. 操作系统的概念与定位:

2.1 操作系统的概念:

2.1.1 设计操作系统的目的?

2.2 操作系统的定位: 

2.2.1操作系统如何管理的? 

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1. 冯诺依曼结构体系介绍:

1.1 冯诺依曼体系结构图解 : 

1.2 冯诺依曼体系结构解释 : 

截至目前，我们所认识的计算机，都是有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 

外设 : 外部装备

外设装备包括 : 输入设备和输出设备

输入设备 : 键盘, 鼠标, 网卡, 摄像头, 话筒...

输出设备: 显示器, 磁盘, 网卡, 打印机...

存储器 : 内存

运算器 + 控制器 ~= CPU

1.3 冯诺依曼体系结构的理解 : 

1. 这里的存储器指的是内存

2. 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。

3. 一句话，所有设备都只能直接和内存打交道

1.3.1 什么是内存?

内存是计算机的重要组成部分，负责数据和程序的存储与访问。 

 

1.3.2 为什么要有内存?

我们直接这样设计不行吗?而且CPU还比内存快

1. 数据存储和管理
内存的作用：内存用于临时存储运行程序所需的数据和指令。CPU在执行程序时需要快速访问这些数据，内存提供了一个高效的存储空间。
容量问题：CPU的寄存器（内存的一种）数量有限，通常只能存储少量的数据，而程序的规模和数据量往往超过这些寄存器的容量。因此，内存是必需的，以容纳更大的数据集和更复杂的程序。(而且CPU比内存贵的多,这样能让电脑价格更加平民)
2. 程序与数据分离
冯·诺依曼结构：根据冯·诺依曼结构，程序和数据是存储在同一存储器中的，这意味着CPU可以随时从内存中读取指令和数据。这个设计简化了计算机的架构，并使得程序可以动态变化。
灵活性和可变性：将程序和数据分开存储于内存，使得程序可以根据输入数据进行不同的处理，这样的设计灵活性更高。
3. CPU与内存的速度差异
速度差异：虽然CPU的速度比内存快，但CPU的速度过快导致直接与CPU进行交互会造成效率低下。(因为输入输出的IO操作较慢,根据木桶定律,效率取决于慢的一方)CPU在执行指令时，如果每次都从寄存器或内部存储器中获取数据，将使得资源使用不合理。
数据传输：内存虽然相对较慢，但它能够更有效地管理大量数据，并通过总线与CPU进行高效的数据传输。当数据在计算机内部流转的时候,本质是在不同设备间进行拷贝!设备的拷贝效率本质就是计算机的效率!
4. 输入 / 输出操作
I / O操作：计算机需要与外部设备（如硬盘、显示器、输入设备等）进行交互，这些设备的数据传输速度通常较慢。内存可以作为缓冲区，在CPU和外部设备之间进行数据传输，优化了I / O操作的效率。
5. 处理多任务和并行计算
支持多任务：内存可以同时存储多个程序和数据，CPU可以在它们之间快速切换，支持多任务处理。
并行处理：在现代计算机中，多个CPU核心可以同时从内存中读取数据，实现并行计算，这在复杂计算中显著提高了性能。
6. 简化设计
设计简化：通过将内存与CPU分开，冯·诺依曼体系结构简化了计算机设计，允许使用标准化的存储器接口来访问数据和指令。这种分层设计使得系统的扩展和升级变得更为容易。 

2. 操作系统的概念与定位:

2.1 操作系统的概念:

任何计算机系统都包含一个基本的程序集合，称为操作系统(OS)。笼统的理解，操作系统包括:

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） 

 

2.1.1 设计操作系统的目的?

 

为什么要有OS:
1. 操作系统对下软硬件资源的管理,是稳定的,高效的,安全的,能进行良好的工作(手段)

2. 操作系统对上要给用户提供一个稳定的,高效的,安全的运行环境(目的)

总结: 

与硬件交互，管理所有的软硬件资源
为用户程序（应用程序）提供一个良好的执行环境 

2.2 操作系统的定位: 

在整个计算机软硬件架构中，操作系统的定位是：一款纯正的“搞管理”的软件 

2.2.1操作系统如何管理的? 

"先描述在组织"

操作系统通过进程管理、内存管理、文件管理、设备管理、用户管理、安全性管理和网络管理等多个方面来管理计算机资源。它在硬件和用户、应用程序之间建立了一层抽象，使得计算机的操作更加简单、高效和安全。通过这些管理机制，操作系统能够确保计算机系统的稳定运行，并为用户和应用程序提供一个良好的运行环境。