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目录 前言
一、冯诺依曼体系结构
二、操作系统
1. 操作系统的概念
2. 操作系统存在的意义
3. 操作系统的管理方式
4. 补充#xff1a;理解系统调用…
作者主页ephemerals__
所属专栏Linux
目录 前言
一、冯诺依曼体系结构
二、操作系统
1. 操作系统的概念
2. 操作系统存在的意义
3. 操作系统的管理方式
4. 补充理解系统调用
总结 前言 在数字时代计算机早已渗透进我们生活的方方面面。从智能手机到超级计算机这些强大的机器背后都离不开两个至关重要的概念冯诺依曼体系结构和操作系统。理解这两者对于学习Linux系统编程、深入理解计算机体系至关重要它将帮助你编写更高效、稳定的程序并解决更复杂的系统问题。本文将带你深入浅出地探索冯诺依曼体系的精髓并解析操作系统如何在其之上构建起庞大的软件生态最终让冰冷的硬件焕发出无限的可能。
一、冯诺依曼体系结构 冯诺依曼体系结构Von Neumann Architecture是一种经典的计算机设计模型由数学家约翰·冯·诺依曼提出。其具有中央处理器、存储器和输入输出设备三个主要组成部分共同完成对程序的控制和执行。尽管存在瓶颈问题大多数现代计算机仍基于冯诺依曼体系结构并通过缓存、多核等技术优化性能。 注意冯诺依曼体系结构当中CPU中央处理器在数据层面只能对内存进行读写不能直接访问输入和输出设备输入和输出设备也只可和内存打交道。 由于CPU只能通过内存来读取和写入数据所以一个程序在运行之前必须先加载到内存。 不难发现有了输入输出设备和中央处理器之后就可以确保程序的执行了让处理器直接访问输入输出设备。为什么还需要内存呢实际上CPU对数据的处理速度是远远大于输入输出设备的。如果直接让CPU直接访问输入输出设备那么根据木桶效应整体结构的运行效率将由输入输出设备决定就无法发挥出CPU的性能。加入了内存之后其可以一次性存储输入设备提供的大量数据交给CPU去处理然后再通过它统一传输给输出设备。这样就对CPU和输入输出设备的运行速度差进行适配提升整体效率。 在冯诺伊曼体系结构中数据传输的本质是从一个设备“拷贝”到另一个设备整个结构的运行效率由“拷贝”效率决定。 二、操作系统 了解了冯诺依曼体系结构之后我们再来谈另一个概念操作系统。 操作系统是计算机的灵魂它决定了计算机的功能、性能和用户体验。无论是对编程、软件开发、大数据、人工智能的学习都离不开对操作系统的理解。深入学习操作系统能够帮助我们在各个技术领域打下坚实基础提高编程能力和解决问题的能力。
1. 操作系统的概念 用通俗的话来讲操作系统OS就是一款对各种软硬件进行管理的软件。它可以控制各种硬件与软件资源确保其高效执行为用户提供了更便捷的计算机使用方式。
操作系统包括
1. 内核进行内存管理、文件管理、进程管理、驱动管理等
2. 其他程序例如函数库、shell外壳等 2. 操作系统存在的意义 先看一张图 如上图所示软硬件体系结构是一种层状结构对各种资源进行分级管理。分级管理只能由上到下顺序进行。用户要对计算机进行各种操作就需要通过一系列的分级管理流程。而在整个软硬件管理体系当中操作系统起着至关重要的作用。想要对访问底层硬件就一定需要先访问操作系统由操作系统对硬件进行控制。因此操作系统的存在意义是 1. 对下与硬件进行交互管理所有的软硬件资源手段 2. 对上为用户程序提供良好的运行环境目的 除此之外 我们还可以由图得出以下结论 1. 若要访问操作系统就必须使用系统调用操作系统提供的接口 2. 一个程序只要访问了硬件就必须贯穿整个软硬件体系结构不可能跳跃进行 3. 一些库文件中的函数具备输入输出功能说明其在底层封装了系统调用 3. 操作系统的管理方式 操作系统是如何对软硬件进行管理的呢?
我们拿学校的管理模式举例 一个学校的校长需要对校领导、教师以及学生进行管理。但是学校有很多人校长无法一一管理此时就需要实行分级管理制度校长管理校领导校领导管理教师、教师管理学生。 所以校长想要管理学生不必和每个学生进行面对面接触而是通过教师再通过校领导获取学生的各项数据然后分级管理。 那么校长是如何通过数据达到管理学生的目的呢 从编程的角度来讲校长可以将学生的各项数据如年龄、性别、身高体重、成绩等包装成一个类然后通过创建对象设置成员变量的值来描述不同的学生。之后使用数组、链表或其他容器对学生进行组织通过对容器进行增删查改操作来实现对学生的管理。 操作系统就好比这里的校长它对软硬件的管理方式就是通过驱动程序或系统调用获取软硬件的数据然后对数据进行描述、组织。
操作系统管理的本质对数据的增删查改。
4. 补充理解系统调用 之前提到若要访问操作系统就必须使用系统调用。为了打好Linux系统编程的基础我们通过一些知识补充来加深对系统调用的理解。
系统调用是什么 系统调用是操作系统提供给用户的接口供上层开发使用。 系统调用的作用 方便用户与操作系统之间进行数据交互。 一般来讲系统调用的功能较为基础且实现要求较高。开发者会对系统调用进行一系列封装形成库便于二次开发。
判断库函数是否封装了系统调用的方法判断该函数是否访问了硬件因为一个程序只要访问了硬件就必须贯穿整个软硬件体系结构不可能跳跃进行。
总结 通过对冯诺依曼体系结构的理解我们掌握了计算机的基本工作原理而操作系统的概念、存在意义及管理方式的学习则为我们揭开了计算机资源管理的核心机制。特别是对系统调用的深入理解为我们后续学习Linux系统编程奠定了坚实的基础。如果你觉得博主讲的还不错就请留下一个小小的赞在走哦感谢大家的支持❤❤❤
