【Linux系统】计算机世界的基石：冯诺依曼架构与操作系统设计

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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