详解冯诺依曼体系结构与操作系统_冯诺依曼体系工作

计算机体系结构

本文主要从两个方面来详细介绍计算机体系结构：
1.冯诺依曼体系结构（硬件）
2.操作系统（软件）

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前言

硬件——深入理解冯诺依曼体系结构
软件——全面认识操作系统

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一、深入理解冯诺依曼体系结构

1. 简要背景介绍

1946年美籍匈牙利科学家冯·诺依曼提出存储程序原理，把程序本身当作数据来对待，程序和该程序处理的数据用同样的方式存储，并确定了存储程序计算机的五大组成部分和基本工作方法。
半个多世纪以来，计算机制造技术发生了巨大变化，但冯诺依曼体系结构仍然沿用至今，人们把冯诺依曼称为“计算机鼻祖”。

2. 五大部件介绍

3. 细节解释

1.为什么输入/输出设备的数据，不直接给CPU，反而给内存呢？

[这里引入存储分级（存储金字塔）概念]

是因为，外设和CPU的速度相差太大。

在输入设备在接收输入数据的时候，CPU只能等。如果没有存储器，CPU将会长时间处于等待状态，这样的话，效率其实是很低的，输出同理。
所以，如果允许外设把它的数据直接和CPU进行交互，那么整个计算机的效率将会以外设为主（木桶原理——效率由短板决定），会变得非常慢。

在认识层面上，可以认为内存整体是外设和CPU的“缓存”（快的设备给慢的设备做缓存）。那么整个计算机的效率就以内存为主了，变得快起来。

2.为什么程序运行的时候，要先加载进内存？
对数据进行了预加载，把程序缓存起来了。CPU读取这个程序效率就会高了。

3.存储器是如何起到缓存作用的？
只要有了存储器，就能对数据进行预加载和预写入，解决了CPU和外设之间的效率相差过大而导致CPU长时间处于等待的问题。

预加载：是把输入设备的数据加载到存储器。
预写入：把CPU处理完的数据，来不及放到输出设备中的，先写入存储器。

总结：
站在数据层面上，CPU不和外设打交道，直接和内存打交道。
站在外设角度，数据不和CPU打交道，直接和内存打交道。
内存：是计算机数据的核心。

4. 举例理解冯诺依曼机中数据走向

场景一：给朋友发一条消息
键盘（我）—> 写入存储器 —> CPU（封包）—> 写回存储器 —> 我的网卡（具备从网络中接收数据的能力）—> 朋友的网卡 —> 写入存储器 —> CPU（解包）—> 写回存储器 —> 显示器（朋友）

场景二：拖拽文件 数据流走向

把硬盘上的文件（本身也是数据）放在内存当中，经过封包解包，写回内存，再经过网卡传出去，对方网卡接收，放入存储器，再进行封包解包，写回存储器，最后放到对方的硬盘。

二、全面认识操作系统

1. 操作系统的概念

操作系统是一款做软硬件管理的软件。

硬件：冯诺依曼中的所有设备。
软件：1.安装软件，卸载软件 2.在系统层面，文件，进程，驱动等都属于软件范畴

2. 计算机系统 比对 银行系统

3. 深入认识“管理”：

管理：真正的管理是要有“决策权”。重要的是，区分“决策”和“执行”。

把操作系统比喻成一所封闭的学校：
那么在学校中，
底层硬件、部分软件：学生（被管理者）
驱动程序：导员，宿管，教师等
操作系统：校长（管理者，有真正的决策权）

管理者和被管理者从来都没有见过面，如何进行管理？

1. 可以通过“信息”管理
2. 驱动层可以帮管理者拿到数据
3. 当“信息量”特别大的时候，信息就需要被组织起来。
   所以第一步要先把角色描述起来，
   struct stu{
   姓名，电话，成绩；
   struct stu* netx;
   }
   struct stu s1,s2,…; //可以用链表的形式把这些结点连接起来，那么我们就将其组织起来了。所以对学生的管理，就变成了对链表结点的管理。

所以操作系统是如何进行底层的硬件管理呢？
在操作系统启动之时，通过中间的驱动程序，拿到底层的硬件信息，对其数据进行管理和决策。
也就是，先描述，再组织。

4. 库函数和系统调用接口

使用操作系统有难度且有风险，所以操作系统一般是被封装起来的。对外提供少量的接口（函数），要使用好系统调用接口，也需要一定的背景知识，且也要有一定的成本。

所以可以把系统调用接口封装成某些库函数。

库函数 和 系统调用的关系：具有上下级的关系，库函数（用户级别的库）可能调用系统调用

5. 操作系统存在的目的

在一套系统中，必须一定要有管理者进行统筹。

对上，给用户一个稳定高效的执行环境；
对下，管理好软硬件资源，提供稳定的软硬件环境。

6. 操作系统与Shell

Shell英译汉：外壳。

从技术角度， Shell的最简单定义：命令行解释器。

主要包含：
将使用者的命令翻译给核心（kernel）处理。
同时，将核心的处理结果翻译给使用者

在认识了操作系统的管理的概念后，我们知道，管理的本质是为了让用户使用成本更小，使用方便。

两种常见降低使用成本方案（本质相似，都是为了解决用户使用计算机的成本，只不过解决的程度不同罢了）：

1. 包裹软件外壳shell，给操作系统封装一层软件层，我们可以通过命令行的形式，直接操作计算机——Linux
2. 包裹图形界面GUI——Windows

什么是shell外壳：包裹在操作系统外层的软件层，方便用户和操作系统进行沟通。

shell作用：
（1）交互：接受用户的输入，交给os执行，得到结果反馈给用户。（为了对用户屏蔽内核的复杂性）
（2）保护操作系统：如果用户输入了一些错误或非法的指令，在外层直接就拒绝掉了。（为了保护内核以免用户误操作造成损害）

shell和bash：shell是所有外壳程序的统称，bash是具体的一款shell。

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总结

1. 冯诺依曼体系中的存储器指的是内存。
2. 不考虑缓存情况，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。
3. 所有设备都只能直接和内存打交道。
4. 操作系统是一款搞软硬件管理的软件。
5. 管理最重要的是要有决策权。
6. 如何进行管理：先描述，再组织。
7. Linux使用C语言编写，C语用struct描述对象。
数据结构表示的是数据的组织方式，组织方式决定结构，结构决定算法。
8.shell是包裹在操作系统外层的软件层，方便用户和操作系统进行沟通。