一.冯诺依曼体系结构
冯诺依曼体系结构(Von Neumann Architecture)是计算机设计的核心概念之一,由美国数学家约翰·冯·诺依曼于1945年提出,也被称为“冯诺依曼模型”或“冯诺依曼计算机体系结构”。其基本思想是将程序和数据统一存储在计算机的内存中,并通过中央处理单元(CPU)来执行这些程序。至今,冯诺依曼体系结构仍然是大多数计算机的基础架构。
中央处理器(CPU): 控制单元(CU):负责协调计算机各部分的工作。 算术逻辑单元(ALU):负责进行算术和逻辑运算。 寄存器:用于临时存储数据和指令。 内存(RAM): 存储程序和数据。在冯诺依曼结构中,程序和数据共享同一内存。 输入设备:用于将数据输入到计算机中,如键盘、鼠标等。 输出设备:用于输出处理结果,如显示器、打印机等。 总线:在各个组件之间传输数据和指令的通道。 注意:
这里的存储器指的是内存。 不考虑缓存的情况下,CPU只能操作内存中的数据,不能直接从外设(输入和输出设备)获取数据。 外设(输入或输出设备)要输入或输出数据,必须通过内存。 总的来说,所有设备都只能通过内存进行交互。 1.1 为什么体系结构中需要内存?计算机存储金字塔:
1.2 冯诺依曼瓶颈冯诺依曼架构面临一个著名的挑战,即“冯诺依曼瓶颈”(Von Neumann Bottleneck)。由于程序和数据共享同一个内存系统,CPU在执行指令时需要频繁地从内存读取指令和数据,导致内存的读写速度成为限制计算机性能的瓶颈。随着计算机硬件的不断进步,解决冯诺依曼瓶颈的问题成为计算机体系结构研究的一个重要方向。
二.操作系统操作系统(Operating System,简称OS)是管理计算机硬件与软件资源的系统软件,它为应用程序提供了一个运行环境,并为用户提供与计算机硬件交互的接口。
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) 一般而言,操作系统指的是内核。
2.1 设计目的 操作系统向下与硬件交互,管理软硬资源(手段)。 操作系统向上为用户程序(应用程序)提供一个良好的执行环境(目的)。 软硬件体系结构是层状结构。
访问操作系统,实际上是通过系统调用(系统提供的函数)。 只要程序运行访问了硬件,就必须贯穿整个软硬件体系结构。 函数库在底层封装了系统调用。 2.2 系统调用与库函数 操作系统会暴露部分接口供上层开发者使用,这些接口就是系统调用。 系统调用的功能比较基础,对使用者要求较高,所以一些开发者将这些系统调用的接口进行封装,从而形成了库,方便开发者进行二次开发。 —
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