1.冯诺依曼体系结构冯诺依曼体系结构图1.1 五大核心组件说明A. 输入设备键盘、磁盘、鼠标、摄像头、网卡 ... ...B. 输出设备磁盘、显示器、网卡、打印机外设 输入设备 输出设备C. 存储器本质是内存用来存放程序指令和数据D. 运算器执行算术运算加减乘除和逻辑运算与或非比较E. 控制器指挥协调各部件工作取指令、译码、发出控制信号CPU 运算器 控制器1.2 如何通过冯诺依曼体系理解软件运行之前加载到内存核心原因因为CPU 只能直接访问内存具体原因①硬件的“物理限制”软件作为.exe执行文件存储在磁盘当中在冯诺依曼架构中CPU 的电路总线是直接连着内存的。它根本没有设计直接去硬盘里“抓取”指令的功能内存是 CPU 唯一能直接寻址和交互的工作区。②弥补“速度鸿沟”:CPU 的运算速度极快纳秒级而硬盘的读取速度相对极慢微秒/毫秒级。如果让 CPU 直接等硬盘整个系统会卡死内存作为中高速媒介起到了至关重要的缓冲作用。1.3 如何理解冯诺依曼体系结构的局限① 算力与传输 的局限冯诺依曼瓶颈CPU 的极速运算与内存的缓慢传输严重脱节。CPU 就像一台没有供油的超级引擎绝大部分时间都在“被迫发呆”等待数据。② 指令/数据共享总线 的局限指令和代码被存放在一起并共用一条通道。CPU 每次只能拿一个无法同时抓取形成了硬件底层的“强制排队”。③不适应高并发 的局限CPU的底层逻辑是严格的“读一条、做一条”顺序执行。面对当今如 AI 矩阵运算需要同时处理海量数据的场景显得力不从心。1.4 如何通过冯诺依曼体系结构来理解数据流动以 a b 为例看数据流动 步骤 1: 输入 → 内存 输入设备 → 总线 → 内存 键盘输入 a3, b5存入内存地址 M[100] 和 M[104] 步骤 2: 内存 → CPU (取指) 控制器发出取指命令 内存 M[PC] → 数据总线 → 指令寄存器(IR) 指令: LOAD R1, M[100] 步骤 3: 内存 → CPU (取数) 内存 M[100] → 数据总线 → 寄存器 R1 (R1 3) 内存 M[104] → 数据总线 → 寄存器 R2 (R2 5) 步骤 4: CPU 内部运算 R1 R2 → ALU → 结果存入 R3 (R3 8)2.操作系统2.1 操作系统的核心概念操作系统的本质操作系统OS是一款进行对硬件资源和软件资源进行管理的条软件操作系统的核心向下封装硬件底层的丑陋、碎片与复杂向上为软件代码的运行提供一个安全、纯粹且资源无限的虚拟环境。操作系统包括内核 进程管理、内存管理、文件管理、设备管理其他程序函数库、shell程序等操作系统概括图2.2 操作系统设计的目的操作系统设计的核心目的①向上方便用户使用方便性②向下 高效管理硬件有效性操作系统设计四大设计目的方便性 降低用户使用计算机的难度 不用直接写汇编操作硬件敲命令或点鼠标就行有效性 提高系统资源的利用率 多道程序设计让 CPU 不空闲内存不浪费可扩充性 方便添加新功能和新硬件模块化设计新设备加入只需加驱动程序开放性 遵循标准兼容不同软硬件 不同厂商的设备都能用同一套接口操作系统设计的根本目的让用户更方便地使用计算机同时让硬件资源被更高效地利用。操作系统设计展开图2.3 操作系统如何管理资源管理 描述 组织操作系统并不亲自动手使用资源而是通过数据结构来描述资源的状态再通过算法来组织资源的分配与回收。A.描述硬件是物理世界里的硅片、电容和磁道代码根本无法直接触碰它们通过“结构体 或 类”在虚拟世界里对硬件进行描述。内存管理:内存管理物理内存只是无数个电容。 OS 用一个 struct page 结构体去代表每 4KB 的物理内存用链表或位图把它们连起来。 struct page { int ref_count; int flags; ... };进程管理:进程管理进程是动态的。 OS 用一个大结构体 task_struct (Linux 中的 PCB) 把进程的名字、优先级、占用的内存、打开的文件死死记录下来。 struct task_struct { pid_t pid; int priority; long state; ... };B.组织通过对资源进行描述有了各种结构体OS通过合适的策略/算法 与 数组结构 对资源进行组织。示例怎么在几千个空闲内存块里找到最合适的一个 伙伴系统算法怎么在几百个的进程里找出下一个该用 CPU 的 Linux CFS 调度器把所有进程的 PCB 挂在一棵红黑树上算法每次只取最左边的节点。