Linux的进程的概念_ps axj-优快云博客

中央处理器（Central Processing Unit，CPU）：负责执行指令和处理数据。CPU包含算术逻辑单元（运算器(ALU)）和控制单元（控制器(Control Unit，CU)）。ALU执行算术运算和逻辑运算，而CU负责从存储器中提取指令并控制ALU和其他组件的操作(对计算硬件流程进行一定的控制)。
存储器（Memory）：用于存储指令和数据。存储器可以分为随机访问存储器（Random Access Memory，RAM）和只读存储器（Read-Only Memory，ROM）。RAM用于存储运行时数据和程序，而ROM用于存储固化的程序和数据。(存储器指的是什么？指的是内存(主存储器(内存条)，翻译为Memory))
控制器（Controller）：负责将指令从存储器中提取到控制单元，并将执行结果返回到存储器。控制器通常包含指令寄存器（Instruction Register，IR）、程序计数器（Program Counter，PC）和指令译码器（Instruction Decoder）。
输入设备（Input Devices）：用于与计算机进行交互，包括键盘、鼠标、摄像头、话筒、磁盘、网卡等。
输出设备（Output Devices）：显示器、打印机、播放器硬件、磁盘、网卡等

注：有的设备是纯的输入或者输出，也有既是输入，又是输出设备。其中我们把输入、输出设备叫做外部设备，简称外设。

中央处理器(它独占两个分别是：运算器、控制器）、存储器、输入和输出设备，这五大单元它们都是独立的个体！这些硬件单元需要通过一组线互相连接，以传输数据和控制信号。这一组线统称为总线，是用于连接这些硬件单元的一组线，总线分为两类分别是：系统总线和IO总线。

系统总线（System Bus）是连接计算机系统中的主要硬件单元的总线，包括连接CPU、存储器和控制器的数据总线、地址总线和控制总线。它用于在这些硬件单元之间传输指令、数据和控制信号。
IO总线（IO Bus）是连接输入和输出设备的总线，用于将数据和指令从输入设备发送到内存(存储器)，或将数据和结果从内存(存储器)发送到输出设备。

总线的作用是提供数据和控制信号的传输路径，使各个硬件单元能够相互通信和协调工作。通过总线连接，这些独立的硬件单元可以协同工作，实现计算机系统的功能，所以就有了我们上面的那张图，这就叫做冯·诺依曼体系结构。

在冯诺依曼中不仅仅规定硬件方面的构成，还规定了一些软性方面的东西，比如数据：

1.储存方面：

首先我们要知道CPU、磁盘、内存、还有很多的设备本身都是具有数据储存能力的，像CPU内部所对应的寄存器储存的效率是非常高，而我们对应的内存储存的效率也还是不错的，而一般像外设他们的储存效率是非常底下的，在我们的储存领域有一个储存金字塔，储存金字塔他有一个规则，如图：

2.效率方面：

在冯诺依曼体系结构场景中，数据必须是从输入设备写到内存设备中，然后CPU(中央处理器)不能直接从外设(输入设备)里面拿取数据，只能从内存设备当中拿取数据，所以需要先从外设把代码和数据加载到内存，拿到数据之后进行处理做完计算之后，一样不能直接把数据输入到外设之中(输出设备)，只能再把数据写回到内存设备中，最后通过内存设备把对应的数据刷新到输出设备，但是为什么CPU不能直接从外设拿取数据，然后再把数据直接刷新到输出设备呢？因为在于这两个外设和中央处理器的差别速度太大了，如果让两个外设直接和中央处理器直接进行交互，那么其中我们对应的整个计算机结构的效率就以输入、输出设备的效率为主了，当输入设备还在输入数据的时候，中央处理器就已经把数据处理完交给了输出设备，输入设备却还在的慢悠悠的输入数据，所以如果输入设备直接把数据交给我们的中央处理器，势必会拖慢中央处理器的速度，导致整个计算机的整机效率变得非常底下，所以在这个情况下引入了一个稍微比输入设备快，稍微比中央处理器慢的设备，这个设备叫内存，这个内存设备速度适中容量适中，所以我们可以让输入设备把数据输入到内存设备当中，中央处理器去内存设备拿取数据进行处理之后再写回到内存设备中，最后又内存设备刷新到输出设备中，这样就可以适配硬件层面上CPU和外设的速度差，虽然也有速度差，但是小了很多。有的人会问输入设备把数据读取到内存，CPU在到存储器拿取数据然后写回到存储器中，最后再刷新到输出设备，这个动作依然是串行的，快也没快到哪里去？依然是又输入设备决定整体的速度。虽然CPU的内存是有限的，但是从我们有了存储器开始，不要觉得我们把数据交给了存储器CPU才开始运算，那么可能是输入设备提前把数据预加载到了存储器，然后我们的CPU在存储器读取数据的时候早被全部加载到了存储器中。我们知道一个程序在运行时必须得先从磁盘把数据加载到内存中，这个过程CPU又可能正在做着其他任务的计算，当我们加载完的时候，CPU就可以开始读取执行我们的数据运行程序，所以CPU的计算和加载可以同时进行，所以就由串行变成并行那么经过这样数据加载调度，然后就可以保证我们各个硬件并行同时的跑起来，所以它的效率并没有我们想象中的那么差，它可以直接在一定的意义上提高我们的效率。虽然说了这么多但是上面这套工作由谁来完成？谁来把数据从外设读取内存，再通过CPU去计算完，然后再由内存把数据刷新到外设？这套工作由操作系统来完成的，后面在进行解释。

所以为什么一个程序要运行，必须要先加载到内存中运行。为什么？因为一个程序在编译好了之后，在磁盘中储存的是一个普通文件，那么我们编写的代码和数据要不要被CPU执行和计算？所以我们的数据最终必须是要去被CPU进行运行计算，代码和数据要被CPU进行运算就必须要先加载到内存中。因为CPU只从内存中拿数据，而我们数据是在外设当中的，就注定了必须从外设把数据加载到内存中，所以为什么我们的程序在进行运行时必须要把数据加载到内存中，是因为我们冯诺依曼体系规定的！

冯·诺依曼体系结构的特点包括：

存储程序：指令和数据以相同的格式存储在存储器中，可以按照程序的顺序执行。这使得程序可以根据需要修改和扩展，并允许计算机执行不同的任务。
存储器随机访问：存储器中的数据可以通过访问地址来获取，并且读写操作具有相同的时间开销。这使得计算机可以快速地访问和操作存储器中的数据。
指令流水线：指令的执行通过流水线的方式进行，可以同时执行多条指令的不同阶段，提高了计算机的执行效率。
计算机硬件和软件分离：冯·诺依曼体系结构将计算机的硬件和软件分离，使得计算机的设计更加灵活，可以通过改变软件来实现不同的功能。

总而言之，完全冯·诺依曼体系结构是一种经典的计算机体系结构，它的核心思想是通过将数据和指令存储在同一存储器中，并通过提取和执行存储器中的指令来操作数据。这种体系结构具有结构清晰、灵活性高和可扩展性强的特点，成为现代计算机体系结构的基础。

关于冯诺依曼，必须强调几点：

1.这里的存储器指的是内存，这里的存储器通常是指主存（Main Memory），也就是我们常说的内存。

在冯·诺依曼体系结构中，主存储器通常是位于计算机内部的一种半导体存储器，如随机存取存储器（RAM）。这是计算机中的一种高速读写存储器，用于存储正在执行的程序、数据和临时结果。主存储器具有较小的存储容量，但具有很快的读写速度。
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)
3.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。
4.一句话，所有设备都只能直接和内存打交道

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，请解释，从你登录上qq开始和某位朋友聊天开始，数据的流动过程。从你打开窗口，开始给他发消息，到他的到消息之后的数据流动过程。如果是在qq上发送文件呢？

2.操作系统(软件)

操作系统是计算机系统中的核心组件，为用户和其他应用程序提供了一个可靠、高效和安全的运行环境。不同的操作系统有不同的特点和功能，例如Windows、MacOS、Linux等。

像我们上面说的那一套工作流程，我们对应的这个数据呢，可能要先读取到内存了，然后再到CPU里运算，然后运算完之后，就是写回到我的内存，再刷新到我们的网卡。那么所有的这些设备其实都很笨，他为我们提供最基本的这样的功能，但最终是谁用这些功能呢？我们刚说的整个的这一套过程啊，那么。在键盘看来，键盘它只具备获取用户数据，把用户数据写到内存的能力。但什么时候用这个能力啊，那么我们应该怎么用，所以这个东西其实是要有一个控制逻辑在上，然后呢，一定要有一个逻辑来宏观的控制。比如说我们对应的电脑当中，你的计算机里可能不仅仅只有QQ在跑，你可能登着游戏登着微信，你也才登的知道凭什么我就要跑你的软件？那我什么时候跑这个软件，什么时候跑其它的软件，那么这个是不是就必须得有人控制，而为了更好的能够进行使用，首先要知道冯诺依曼体系结构里面的这些硬件设备都很傻，都像是一个个典型的游戏里的NPC，相当于就是在一个游戏世界里面的一个个角色，每一个角色都有自己的任务，但是呢，最终得有人总体把他们统筹起来，把它考虑起来给它们分配执行任务。所以就在这样的时代的背景下，我们对应的操作系统就必须诞生了，操作系统那么他最核心的功能是什么？操作系统它其实本质上是一款进行管理的软件，那他管谁呢？首先要管理的一定是我们刚上面所看到的一堆的硬件，好，上面的这些我们冯诺一曼构成的这种硬件呢，那么这上面的这些硬件最终是不是也要被我们能够管理起来啊？为了操作系统能够管理的，然后同样的我们操作系统呢，他其实未来呢，也能学到对软件这块进行管理，而他自己本身也是一款软件。比如人可以管人，同理软件自然也可以管理软件，所以操作系统既能管理硬件又能管理软件。

结论：操作系统是一款进行管理的软件！

2.1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）

操作系统是一种软件程序，它管理和控制计算机硬件资源，并为用户和其他软件提供一个统一的界面和环境。以下是操作系统的几个详细概念：

资源管理：操作系统管理计算机的各种硬件资源，包括处理器、内存、磁盘、网络等。它分配资源给不同的程序或用户，并确保它们公平共享和高效利用。
进程管理：操作系统创建、调度和终止进程（程序的执行实例）。它负责分配处理器时间片、管理进程的状态转换、处理进程通信和同步等。
内存管理：操作系统分配和回收计算机内存，以便程序可以执行。它管理物理内存和虚拟内存，提供内存保护和地址转换功能。
文件系统：操作系统提供文件和目录的组织和管理。它负责文件的创建、读取、写入、删除等操作，并提供文件访问权限控制。
设备管理：操作系统管理计算机的输入和输出设备，如键盘、鼠标、打印机、磁盘驱动器等。它负责设备的分配、调度和控制。
用户界面：操作系统提供图形用户界面（GUI）或命令行界面，以便用户与计算机交互。它接收用户输入，并将其传递给相应的程序或操作。
安全性：操作系统确保计算机系统的安全性和保密性。它提供用户认证、访问控制、数据加密和防火墙等安全功能。
错误处理：操作系统监测和处理硬件或软件错误。它提供错误检测、恢复机制和故障排除功能，以确保系统的稳定性和可靠性。

2.2设计os(操作系统)的目的

设计操作系统的主要目的是提供一个有效、可靠和方便的计算机系统环境，以支持用户和应用程序的运行。以下是设计操作系统的一些主要目的：

资源管理：操作系统的一个主要目的是管理计算机的硬件资源，如处理器、内存、磁盘和网络等。它负责分配和调度这些资源，以确保它们能够高效地被各个程序或用户共享和利用。
简化和抽象化：操作系统提供一个抽象的接口，隐藏底层硬件的复杂性，使用户和应用程序能够以简单且一致的方式与计算机系统交互。它将底层硬件细节抽象化为高级的操作和功能，使得编程和使用计算机变得更加方便和易于理解。
进程管理：操作系统负责管理和调度各个进程（程序的执行实例）。它分配处理器时间片，控制程序的执行顺序和并发性，以实现程序的并行执行和资源共享。
内存管理：操作系统管理计算机的内存资源，包括分配、回收和保护。它确保进程能够正常运行所需的内存空间，并提供虚拟内存机制来扩展可用的内存空间。
文件系统：操作系统提供文件和目录的组织和管理，以便用户和应用程序可以方便地存储、读取和管理文件。它处理文件的物理存储和逻辑访问，并提供文件的权限控制和数据保护。
驱动管理：驱动程序是为了与硬件设备进行通信而设计的软件模块。操作系统通过驱动管理来支持和控制各种硬件设备的使用。驱动管理的主要任务包括以下几个方面：

驱动程序的加载和卸载：当硬件设备插入计算机或启动计算机时，操作系统需要加载相应的驱动程序，以便与设备进行通信。类似地，当设备被拔出或计算机关闭时，操作系统需要卸载对应的驱动程序。

驱动程序的匹配和配置：操作系统需要检测和识别计算机系统中的硬件设备，并根据设备的类型和特征选择合适的驱动程序进行匹配和配置。这确保了设备能够正常工作并与操作系统进行交互。

设备驱动程序的接口和抽象化：操作系统提供一组标准的设备驱动程序接口（如API），使应用程序能够以统一的方式与硬件设备进行通信，而不需要了解设备的底层细节。这种抽象化简化了应用程序的开发和维护过程，并提供了对不同设备的兼容性。

驱动程序的更新和升级：随着硬件技术的进步和改进，驱动程序可能需要进行更新和升级，以提供更好的性能、兼容性和稳定性。操作系统需要提供机制来管理驱动程序的更新，例如通过自动更新、手动下载或集成在操作系统更新中。

通过驱动管理，操作系统能够有效地管理和控制硬件设备，使其能够与应用程序和操作系统本身进行良好的协作。这确保了硬件设备的正常工作，并提供了良好的用户体验和系统性能。