冯诺依曼体系结构与操作系统-编程知识

一、冯诺依曼体系结构

深入理解冯诺依曼体系结构

计算机的出现就是为了解决实际问题, 所以把问题交给计算机，计算机经过处理，得到一个结果反馈给我们，所以这中间就必然涉及到了输入设备，中央处理器(包括运算器和控制器)和输出设备

运算器主要用于进行各种数值和逻辑运算，包括加减乘除、与或非等操作；控制器则负责从主存中获取指令及相关数据，并决定如何对这些指令进行翻译和执行，以维持计算机系统的正常运行，后面我们就把运算器和控制器统称为中央处理器(cpu), 所以按照我们的理解，体系结构应该如下:

但是由于外部设备(输入设备和输出设备)相对于cpu来说速度很慢，根据木桶原理，计算机呈现出的整体的效率就很低, 所以我们又加入了内存这个设备

内存速度虽然比不上cpu,但是比外设快很多，因此最终呈现出的计算机效率还是不错的，所以内存相当于起到了缓冲的作用，根据该体系结构，计算机处理问题的流程如下:

输入数据到输入设备，将数据从外设加载到内存中，cpu从内存中读取数据进行处理，处理完之后写回到内存，内存再把数据交给输出到输出设备上，最终显示给用户，就有了最终的冯诺依曼体系

值得一提的是把外设的数据加载到内存和cpu读取内存数据是完全可以同时进行的，效率就更高了，所以内存可以理解为一个很大的缓存

冯诺依曼体系结构的价值

计算机中的存储结构是呈现金字塔状的，既然磁盘便宜，为啥不全部搞成瓷盘呢？？因为速度太慢了，计算机基本没法运行；那既然寄存器速度快，为啥不全部搞成寄存器呢？？因为造价太高了，注定大多数人买不起，计算机也就无法普及开来；所以冯诺依曼体系结构的巨大意义在于用较少的钱造出效率不错的计算机，让普通老百姓用的起计算机，技术改变世界！

冯诺依曼补充内容

1.图中的存储器指的就是内存

2.计算机中几乎所有的设备都具备数据存储能力，只是存储能力强弱的区别

3.内存是掉电易失性存储介质，磁盘相对来说是永久存储性介质

4.设备之间交互的本质是把数据从一个设备拷贝到另一个设备，存储的效率决定了拷贝的效率，决定了设备和设备之间通信的效率

5.把数据从一个设备搬运到另外一个设备这个工作是由操作系统来完成的

6.除了cpu和内存之外计算机中的大部分设备都叫做输入输出单元

输入单元:键盘，话筒，摄像头, usb, 鼠标, 磁盘/ssd, 网卡

输出单元:显示器，喇叭，打印机，磁盘，网卡，显卡等等各种设备

7.同一个设备既可以是输入设备也可以是输出设备(比如网卡)

冯诺依曼体系的应用

1.解释"程序在运行之前，先要被加载到内存中"这句话

程序是保存在磁盘上的，也就是外部设备，而由冯诺依曼体系结构知道，cpu在数据层面上是不和外设交互的，而是和内存交互，所以必须先把程序加载到内存,cpu才能读取数据，运行程序, 所以是由体系结构决定的！

2.你和qq好友发消息的过程

你输入"在吗"到键盘后，操作系统将数据从键盘加载到内存中，cpu从内存中读取数据并处理(比如打包"在吗"和你的头像，发送时间等等), 处理完之后写入到内存中，然后通过网卡(输出设备)传输到网络上，经过传送，你朋友的网卡(输入设备)接收到你的消息，然后加载到内存，经过cpu的处理(解包等)写回内存，然后从内存输出到显示器上，你就看到了"在吗"这条消息以及发送时间等其他信息,

但是你发送的"在吗"也会显示到你的显示器上，这是为什么？

因为你的内存数据输出到网卡的同时也输出到了你的显示器上，输出设备是不唯一的！

二、操作系统(OS)

OS定位

操作系统是一款进行软硬件管理的软件

当你电脑开机时，操作系统就是第一个加载起来的软件

OS存在的目的

1.将软硬件资源管理好(手段)

2.给用户提供一个良好(稳定，高效，安全，易用)的使用环境(目的)

OS管理的精髓

···管理

以下是通过学校模型来深入理解管理

简化学校的模型，假如只有校长，辅导员和学生，校长是管理者，学生是被管理者，辅导员是什么角色呢??? 学校的管理者是校长，但是我们基本很少和校长见面，校长如何做管理??

所有的事情无外乎是在做决策或者是做执行，真正的管理者是做决策的，而如何做决策??

根据完善的数据做决策！但是校长和学生很少见面，如何拿到数据?? 辅导员可以拿到学生数据反馈给校长, 辅导员核心工作是做执行！

所以管理的本质不是管人，而是管理数据！

当学生多了起来，这么多的学生信息量是很大的，如何管理这些数据呢???

学生虽然很多，但是要收集的学生的信息种类都一样，比如说姓名，性别，年龄，身高，成绩等等，统计到excel表格里，就变成了对结构化数据的管理!

后来校长把每一个学生的属性抽象出来，成为结构体类型(C++中的类), 于是每个学生都有自己的结构体变量了，但是这些变量是独立的，为了把这些变量关联起来，于是校长用链表把结构体变量连接起来，对学生信息的管理就变成了对链表的增删查改!!！这就完成了对学生管理的建模过程！

···先描述，再组织

任何管理工作都可以经过先描述，再组织来完成计算机建模！

人是通过属性认识世界的，所以“先描述"如何描述?? 通过提炼属性！属性的集合就代表了事物

上述对学生属性进行抽象，形成结构体的过程就是"先描述"，然后把一个个结构体变量用数据结构连接起来的过程就是"再组织"

我们之前在写C语言项目/数据结构/，开始写代码的时候总是先写class/struct, 再写其他代码，这就是先描述，再组织!

C++中类和对象有封装继承多态, STL中有各种容器，这就是先描述再组织的体现，所以C++能解决现实中的问题!

计算机的层状结构

我们从两部分来理解计算机的层状结构，第一部分是操作系统以下的部分，也就是OS存在目的中的第1点，把软硬件资源管理好；第二部分是操作系统以上的部分，也就是OS存在目的中的第2点，为用户提供良好的使用环境

···管理好硬件资源

1.底层硬件是以冯诺依曼的形式进行组织的

2.操作系统是要管理底层硬件的，但是操作系统并不直接和硬件交互，如何管理？？

只需要拿到硬件相关的数据即可，比如磁盘有几个分区，一共多少容量，当前使用了多少，还剩多少？磁盘状态(休眠/运行/挂掉了)？这些都是数据，所以只需要对数据做管理，如何拿数据？？

OS和底层硬件之间还有一层叫做驱动程序，驱动程序帮助OS获得底层硬件的各种数据，而要管理，就要先描述后组织！Linux是用C语言写的，所以在OS内要出现struct harddev{ 设备属性...} 类似内容，采集到硬件的数据之后形成对硬件管理的数据结构(比如单链表),于是OS对硬件的管理就变成了对硬件对应的数据结构的增删查改！

硬件物理上连接到了电脑并不意味着就被OS管理起来了(比如鼠标插到了电脑上), 必须是OS内存在管理这个硬件的数据对象和数据结构，才叫硬件被OS管理起来了！