【Linux探索学习】第十一弹——初识操作系统：冯诺依曼体系结构与操作系统的概念与定位

前言：

在学完我们前面的指令和工具之后，今天我们正式开启一个新的内容的学习——进程，在正式讲解进程之前，我们要先进入一些铺垫内容的学习，这就是我们今天要讲的冯诺依曼体系结构和操作系统的概念，下面我们正式进入今天的内容

一、冯诺依曼体系结构

1. 定义

冯诺依曼体系结构是由匈牙利数学家约翰·冯·诺依曼提出的一种计算机设计模型。它描述了一种计算机的基本组成部分及其工作原理。现如今我们常见的计算机，如笔记本，和我们不常见的计算机，如服务器，都遵循冯诺依曼体系结构。

2. 组成部分

冯诺依曼体系结构主要包括以下几个组成部分：

• 中央处理器（CPU）：
  • 控制单元（CU）：负责指挥计算机各部分的工作。
  • 算术逻辑单元（ALU）：进行算术和逻辑运算。
  • 寄存器：用于暂时存储数据和指令。
• 内存（RAM）：
  • 存储程序和数据。冯诺依曼结构中的程序和数据都存储在同一内存中。
• 输入设备：用于向计算机输入数据，例如键盘、鼠标等。
• 输出设备：用于输出处理结果，例如显示器、打印机等。
• 总线：用于在各个组件之间传输数据和指令的通道。

关于寄存器等的知识，我们主要还是了解就行，这要涉及到计算机组成原理的知识，这些知识是单独组成一门学科的

3. 工作原理

冯诺依曼体系结构采用存储程序的概念，计算机通过以下步骤执行程序：

1. 从内存中读取指令。
2. 解码指令。
3. 执行指令，进行计算或数据转移操作。
4. 将结果存储在内存中。

这种方式使得程序可以动态改变，支持更复杂的计算任务。

在这里我们要强调几点：

1. 上面的存储器指的就是内存 2. 不考虑缓存的情况下这里的CPU能且只能对内存中的数据进行操作，不能从外设 （输入和输出设备）中获取数据 3. 外设（输入或输出设备）要输入或输出数据，只能从内存中获取 4. 总的来说，所有设备都只能与内存打交道

至于为何会出现上面这种情况（所有设备都只能与内存打交道），主要与一个叫存储金字塔的概念有关

在存储工具上，往往容量越大其速度越慢，但相应的价格就越低，但是通过图上我们也可以观察到内存的存储速度是要比外设快的，因为中央处理器的速度是非常快的，往往需要等待数据到位，所以我们就需要快速的将数据传到中央处理器中，如果直接从外设中将数据传入处理器中，因为外设的传数据的速度很慢，所以处理器就需要常常处于等待状态，我们加了内存这个中间设备后，我们就可以将将要处理的数据提前存入内存中，且在处理器处理数据时，我们也可以提前将要处理的下一组数据存进来，进而提高了效率，其实在内存与中央处理器之间还有三级存储结构，这就要涉及更深层次的内容了，感兴趣的可以自己再去搜一下看一下，今天的重点不在这里

二、操作系统

1. 定义

操作系统（Operating System, OS）是管理计算机硬件与软件资源的系统软件，它为用户和应用程序提供必要的服务与接口。

2. 功能

操作系统的主要功能包括：

• 进程管理：负责创建、调度和终止进程，管理进程间的通信与同步。（这个就是我们接下来几篇要讲解的重点内容）
• 内存管理：分配和回收内存，管理虚拟内存与物理内存的映射。
• 文件系统管理：负责文件的创建、删除、读写等操作，维护文件的存储结构。
• 设备管理：控制和管理输入输出设备，提供设备驱动程序。
• 用户界面：提供用户与计算机交互的方式，包括命令行界面和图形用户界面。

3. 位置

操作系统作为计算机系统的重要组成部分，它位于用户与硬件之间。操作系统的存在使得用户和应用程序不需要直接操作硬件，从而简化了计算机的使用。

三、冯诺依曼体系结构与操作系统的关系

冯诺依曼体系结构为操作系统的设计提供了基础框架。操作系统的功能和实现直接依赖于计算机的硬件结构，包括CPU、内存和输入输出设备等。操作系统通过调用硬件指令来管理计算机资源，确保各个进程的高效运行。

1. 存储程序概念

冯诺依曼体系结构中的存储程序概念允许操作系统和应用程序共享内存，操作系统可以根据需要动态加载和卸载程序。

2. 进程管理

操作系统利用冯诺依曼结构中CPU和内存的特性，通过调度算法优化进程的执行，提高计算机的整体性能。进程管理是我们后面几章要讲解的重点内容

3. 资源管理

操作系统负责管理计算机硬件资源，而冯诺依曼结构则为资源管理提供了物理基础。操作系统可以通过总线与硬件进行交互，实现高效的数据传输和处理。

四、总结

冯诺依曼体系结构和操作系统是现代计算机的重要组成部分。冯诺依曼模型为计算机的设计提供了基本框架，而操作系统则是在此基础上进行资源管理和用户交互的重要软件。理解这两者的关系和作用对我们后期学习操作系统尤其是进程方面的知识有很大的作用

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