冯诺依曼体系结构和操作系统理解_冯·诺依曼体系结构及工作原理理解 实验总用时:00:33:21

冯诺依曼体系结构 

1.整体框架

2.关于存储器(内存)

①输入设备和输出设备相对于CPU来说是非常慢的，那么根据木桶原理，最终整个体系所呈现出来的速度将会是很慢的，效率自然就低了。

②引入内存，内存有个特点就是，比输入设备和输出设备要快很多，但是比CPU慢。现在内存就处于慢设备和快设备之间，是一个不快也不慢的设备，能够在该体系结构当中就起到一个缓冲的作用。
 

③内存为什么能够提高效率？

(1)内存具有数据存储的能力，那么它就有预装数据的能力，提前把数据准备好，CPU只需要从内存中拿数据进行处理就行。

(2)局部性原理：根据统计学原理，当一个数据正在被访问时，那么下一次有很大可能会访问其周围的数据。所以当CPU需要获取某一行数据时，内存可以将该行数据之后的数据一同加载进来，而CPU处理数据和内存加载数据是可以同时进行的，这样下次CPU就可以直接从内存当中获取数据。

                 

④CPU只和内存进行数据交互 

站在数据层面上，cpu不和外设打交道，直接和内存打交道；

外设角度，数据不和CPU直接打交道，直接和内存打交道；

内存:是计算机数据的核心

                                        

 3.常见外设

输入设备：键盘、鼠标、网卡、硬盘、等
输出设备：显示器、音响、网卡、硬盘、打印机等

4.补充 

①为甚程序运行的时候，要先加载进内存? 

(1)把数据加载到内存相当于预加载，把程序缓存起来了。

(2)可执行程序〈文件)是在硬盘上(外设)运行程序是需要CPU去执行，CPU运行代码

(3)体系结构决定的，CPU只和内存交互

②寄存器不仅仅在cpu中具有，其他外设也是有的 （例如 : 使用键盘时，键盘是先将获取到的内容存储在寄存器当中，然后再通过寄存器将数据写入内存当中)
③各种硬件单元之间连接用的是:总线(IO总线，系统总线)

        

④一条消息的发送

你在键盘当中输入消息，键盘将消息相当于数据传输到内存，CPU从内存获取到数据后对数据进行各种封装，然后再将其写回内存，OS会在合适的时候通知网卡去内存中取数据通过网络发送到对方主机 ; 然后经过网络传输对端的网卡从网络当中获取到你所发的数据后，将该数据加载到内存当中，然后CPU对从内存中拿取网络数据进行解包把消息提取出来写回到内存中，显示器从内存当中获取消息并显示在电脑上，这就完成了一次通信。(只有消息对方正确接收，你的消息列表中才会出现这条消息)

如果是文件呢？ 只是外设不同，磁盘

                

操作系统 

1.OS是什么:操作系统就是一款进行软硬件资源管理的软件。( OS主要包括两大部分，内核和其他程序(命令行，库，shell) )

2.为什么要有OS：在一套系统中，需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

3.OS如何做管理？ 先描述，再组织(组织-用某种数据结构组织起来 ，管理是对数据结构的管理）

                 

4.OS整体框架

①可以用命令行或是图形化界面进行各种操作，这一层被称为用户层 

②系统调用接口对我们普通用户来说使用成本又太高了，因为要使用系统调用前提条件是你得对系统有一定了解。所以在系统调用接口之上又构建出了一批库，例如libc和libc++。实际上在语言级别上使用的各种库，就是封装了系统调用接口的，我们就是通过调用这些库当中的各种函数进行程序的编写。
                

③操作系统为了保护自己，对上只暴露了一些接口，而不会让用户直接访问操作系统，这一系列接口被称为系统调用接口。 

                 

④驱动 : 给硬件匹配软件方式，单独控制硬件，让OS和硬件解耦。

(1) 举个例子，如果操作系统自己来完成键盘的读取操作，那么只要你的键盘读取方式进行了改变，那么操作系统的内核源代码就需要进行重新编译，这对操作系统来说维护成本太高了。
于是我们又在操作系统与底层硬件之间增加了一层驱动层，驱动层的主要工作就是单独去控制底层硬件的。例如，键盘有键盘驱动，网卡有网卡驱动，硬盘有硬盘驱动，磁盘有磁盘驱动。驱动简单来说就是去访问某个硬件，访问这个硬件的读、写以及硬件当前的状态等等，驱动层就是直接和硬件打交道的。而驱动一般是由硬件制造厂商提供的，或是由操作系统相关的模块进行开发的。

(2) 理论上OS是不需要直接和硬件打交道的，你要和硬件交互你需要有一套和硬件交互的方法，万一哪一天硬件发生了变化，OS和硬件交互的方法也要跟着变，意味着OS必须变，硬件变了OS就要跟着变，这不是一种好的软硬件设置方案。最理想的设置方案是你变你的，别影响我，彼此之间的变化不会互相影响，这叫做软硬件之间的解耦。驱动程序是直接和硬件交互对硬件进行访问，但是拿到数据怎么管理是OS做的.

(3) 此时操作系统就只需关心何时读取数据，读多少数据，而不用关心数据是如何读取的了，也就是完成了操作系统与硬件之间的解耦。

                

5. 系统调用和库函数概念

• 在开发角度，操作系统对外会表现为一个整体，但是会暴露自己的部分接口，供上层开发使用，这部分由操作系统提供的接口，叫做系统调用。
• 系统调用在使用上，功能比较基础，对用户的要求相对也比较高，所以，有心的开发者可以对部分系统调用进行适度封装，从而形成库，有了库，就很有利于更上层用户或者开发者进行二次开发。