Linux：进程与冯诺依曼体系结构

• 序：如果你想要了解进程的概念，首先要知道冯诺依曼体系结构，所以本篇文章将从冯诺依曼体系结构出发，从硬件和软件以及操作系统等几个方面来铺垫。

硬件方面

问题一：什么是冯诺依曼体系结构？

简单的说：“冯·诺依曼结构也称普林斯顿结构，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。” ”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。“

而我们本次要讨论和了解的就是计算机的五个组成部分：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。

如图所示：我们可以看到五个部分之间都有联系，且他们的功能是不一样的，都发挥着自己的长项

那么这五个部分主要是干嘛的呢？

输入设备：

• 负责将外部数据输入到计算机中。输入设备通常包括键盘、鼠标、扫描仪、网卡、磁盘等，它们允许用户将信息（如文本、图像、声音等）传输给计算机处理。 输入设备：
• 负责将计算机内部处理的结果输出到外部设备。输出设备包括显示器、打印机、扬声器、网卡、磁盘等，用于将计算机的计算结果呈现给用户。 存储器：
• 存储程序指令和数据。存储器分为两类：
  • 主存（RAM）：用来存储程序正在执行时所需的数据和指令，数据可以随机读写。
  • 辅助存储（如硬盘、SSD等）：存储长期数据，计算机关机后依然能保持数据。
• 存储器是计算机的“记忆”，使得程序和数据能够在运算过程中被访问和修改。 运算器：
• 负责执行所有的算术和逻辑运算，如加法、减法、乘法、除法，以及与、或、非等逻辑运算。运算器是计算机进行数据处理的核心部分。 控制器：
• 负责从存储器中提取指令，并根据指令的内容调度各部件执行相应操作。控制器还负责协调计算机各个部件的工作，确保程序按照正确的顺序执行。它通过控制信号来调度运算器、存储器和输入输出设备的工作。
• 其中输入设备和输出设备统称为外设，运算器和控制器统称为CPU（中央处理器），这五个功能互相独立，却又互相作用，通过总线将物理硬件单元连起来（总线：系统总线、I/O总线等）。

介绍了五大部件，让我来重点讲述一下存储器，因为存储器在冯诺依曼体系结构中扮演了一个非常重要的作用！！！

问题二：什么是存储器？

这里存储器只是内存，不包括外存。 内存也就是俗称的运行内存，外存也就是俗称的硬盘（HDD）、固态硬盘（SSD）、光盘、U盘、磁带等。

如图所示：这是一个存储金字塔，由下到上，存储容量越来越少，但是访问速度越来越快，成本也就越来越高。

问题三：为什么要引入存储器？

首先，让我们思考一下如果没有存储器会发生什么？输入设备和输出设备与CPU直接交换数据，假设输入设备和输出设备的数据处理速度是微妙级别，CPU的数据处理速度是纳秒级别，期间差了10的6次方，输入设备输入花很长时间才能输入的数据，CPU一下子就搞定了，这会导致CPU的利用率非常低，为了解决这样的问题，中间加一个存储器，就可以减缓这样的情况。其中，引入存储器最重要的一点就是：

在冯诺依曼体系中，存储器处于核心地位，一个程序要运行，就必须要先加载到内存当中去运行，因为这是冯诺依曼体系决定的，这也是为什么要引入存储器的重要原因！！！

软件方面

操作系统（Operator System）

如图所示：这是一个操作系统管理软硬件资源图

操作系统是一个对软硬件资源进行管理的软件：

1.操作系统帮助用户管理好下面的软硬件资源（手段）

2.为用户提供一个良好（稳定，高效，安全）的运行环境（目的）

操作系统内核：

内存管理：负责内存的分配、共享、保护和扩展

驱动管理：管理设备驱动的分类、更新和删除

文件管理：处理文件存储、目录组织、操作和保护

进程管理：调度进程运行，分配计算资源

问题四：对操作系统的概念还是很模糊，不知道操作系统是如何对软件硬件资源进行管理的？

我们知道，在一个大学里面有学生，辅导员，校长三个身份

其中，校长是管理者，学生是被管理者

但是我们知道，我们平时很少见到校长的，于是就有了一个问题，校长是怎么对我们进行管理的？这是因为校长要管理我们，其实只要管理我们的数据就行，比如对我们的绩点，处分情况，学号等进行管理就可以达到管理学生的目的

由此可见：

1.管理者和被管理者是不需要见面的

2.管理者在不见被管理者的情况下，只要能够得到被管理者的管理信息， 就可以在未来进行决策

3.管理的本质是通过对数据的管理， 达到对人的管理

4.管理者和被管理者都不见面， 管理者是通过辅导员来获得被管理者的数据的

由此可见校长是管理者，拥有决策权，辅导员是执行者，学生是被管理者，其中校长对应操作系统，辅导员对应驱动程序，学生对应底层硬件

补充接口信息：

如果用户想直接访问数据是不行的，必须通过操作系统给用户提供的接口来完成！！！

1.操作系统里面会有各种数据，但是，操作系统不相信任何用户！

2.操作系统为了保证自己数据的安全性，也为了保证给用户提供一个良好的服务，操作系统以接口的方式给用户提供调用的入口。来获取操作系统内部的数据！

4.接口是操作系统提供的用C写的，实现内部的函数调用-----------系统调用

5.所以访问操作系统的行为，都只能通过系统调用完成！

总结：

本篇文章讲述了我对冯诺依曼体系结构的理解和对操作系统的了解，希望能帮助到大家，谢谢！