【Linux】冯诺依曼体系与操作系统底层原理详解！新手必看攻略

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前言

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一、计算机的"基因密码"——冯诺依曼体系结构

冯诺依曼体系结构（Von Neumann Architecture）是现代计算机设计的基础框架，由数学家约翰·冯·诺依曼（John von Neumann）于1945年提出。其核心思想是将程序和数据存储在同一存储器中，并通过指令执行机制完成计算任务，结构图如下。

1.1 硬件四重奏：核心部件揭秘

存储器：

• 相当于计算机的"短期记忆库"，这里的内存（Memory）可不是硬盘哦！
• ​黄金法则：CPU只能与内存直接对话，外设数据必须经过内存中转

输入输出设备：

• 输入设备：键盘与鼠标是典型的输入设备
• 输出设备：显示器打印机等则是输出设备
• 输入输出设备统称外设

运算器：

• 算术逻辑单元（ALU）：负责1+1=2这样的数学运算
• 控制单元（CU）：协调各硬件工作
• 关键理解：CPU处理速度比外设快万倍，这解释了为什么需要内存做缓冲

数据高速公路（总线）

• 系统总线：CPU与内存的专用通道
• I/O总线：外设接入的通用通道
• 类比城市交通网，不同等级道路承载不同流量

通过日常案例理解设计哲学：

在Word写文档时：
1.键盘（输入设备）→ 内存暂存字符
2. CPU实时处理排版指令
3. 最终成果由内存→硬盘（输出设备）保存

1.2 木桶效应与存储金字塔

由于输入输出设备太慢，所有的数据先缓存到内存当中，再由CPU与内存进行并行运算，提高运算效率。

存储金字塔规则​（速度降序）：

CPU寄存器 → 2. 高速缓存 → 3. 内存 → 4. 磁盘

关于冯诺依曼，需要注意：

• 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。

二、操作系统(Operator System)

2.1 系统架构全景图

笼统的理解 ：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)，用来管理上述的冯诺依曼硬件结构，其本身是一款软件。其次，我们了解到，CPU的控制器可以调度什么时候开启或关闭输入设备、输出设备等，而CPU的控制器信号就来源于操作系统的指令。

核心组件：

• ​内核：系统的"心脏"，包含四大管理模块（进程管理，内存管理，文件管理，驱动管理）

• ​Shell：用户与内核的"翻译官"

• ​驱动程序：硬件的"专属说明书"

   所有的硬件如果要让软件访问必须要有对应的驱动程序。
  

设计OS的目的

• 与硬件交互，管理所有的软硬件资源（手段）
• 为用户程序（应用程序）提供一个良好、稳定、安全的执行环境（目的）

这里的用户不单单指的是我们自己，用户包括（普通用户、程序员（开发各种应用）、），操作系统为了保护自己数据安全，也为了保证给用户能提供服务，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。

系统调用接口：C实现的自己内部的函数调用，所有访问操作系统的行为（任何语言的编写、指令的执行），都只能通过系统调用接口实现。

2.2 管理的艺术：先描述，再组织

管理的本质是对数据进行管理，通过先描述，再组织（结构体）的流程，转化为最某种数据结构的增删查改。这个过程称之建模，其过程可以类比为校园情景：学生信息（先描述）都存放在教务管理系统中（再组织）。操作系统与软硬件资源并不需要直接接触，只需要拿到软硬件资源的数据即可进行一些决策。

操作系统（校长）
驱动程序（辅导员）
软硬件资源（学生）

// 以进程管理为例的结构体伪代码
struct process {
    int pid;        // 学号
    char name[20];  // 学生姓名
    int status;     // 状态（上课/自习/请假）
    // ...其他属性
};

管理本质：通过数据结构建立数字孪生，所有硬件资源都会被抽象成结构体对象。

2.3 系统调用 vs 库函数

系统调用：
在开发角度，操作系统对外会表现为一个整体，但是会暴露自己的部分接口，供上层开发使用，这部分由操作系统提供的接口，叫做系统调用。

库函数：
系统调用在使用上，功能比较基础，对用户的要求相对也比较高，所以，开发者可以对部分系统调用进行适度封装，从而形成库函数，有了库，就很有利于更上层用户或者开发者进行二次开发。

💡开发经验：就像不能直接找校长办事，应用程序必须通过系统调用接口访问内核

结语

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