[Linux]計(jì)算機(jī)軟硬體系結(jié)構(gòu)

馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)

馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)的組成

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)大多都遵守馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)的示意圖如下:

馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)由五大部件組成：

1. 輸入設(shè)備

2. 輸出設(shè)備

3. 存儲(chǔ)器(內(nèi)存)

4. 運(yùn)算器

5. 控制器

   注：如今大多的計(jì)算機(jī)都將運(yùn)算器和控制器集成到一起，被稱作中央處理器，簡(jiǎn)稱CPU。

馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)中各部件的功能

馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)中各部件的功能如下：

1. 輸入設(shè)備：接受外部傳入的數(shù)據(jù)并傳入計(jì)算機(jī)。常見(jiàn)的輸入設(shè)備有：鍵盤、話筒、攝像頭、網(wǎng)卡、磁盤。
2. 輸出設(shè)備：接受計(jì)算機(jī)的計(jì)算結(jié)果。常見(jiàn)的輸出設(shè)備包括：顯示器、音響、網(wǎng)卡、磁盤。
3. 存儲(chǔ)器：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)加載，提高整機(jī)的效率。
4. 運(yùn)算器：完成各種算數(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。
5. 控制器：控制整個(gè)計(jì)算機(jī)能夠有條不紊地工作、自動(dòng)執(zhí)行程序。

對(duì)存儲(chǔ)器(內(nèi)存)的理解

在談關(guān)于存儲(chǔ)器的理解前，首先我們要知道如下概念：

• 輸入設(shè)備和輸出設(shè)備統(tǒng)稱為外設(shè)設(shè)備，簡(jiǎn)稱為外設(shè)。
• 外設(shè)和CPU的部件相比速度是非常慢的。

由于CPU和外設(shè)速度差異很大，因此計(jì)算機(jī)不能被設(shè)計(jì)成如下結(jié)構(gòu):

由于CPU和外設(shè)速度差異很大，CPU很快就完成了數(shù)據(jù)的計(jì)算并將數(shù)據(jù)傳到輸出設(shè)備，然后CPU要等待輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)傳入，CPU會(huì)存在很多不必要的空檔期，這樣大大的降低了CPU的效率，這就如同木桶原理:

由于外設(shè)的速度太慢導(dǎo)致整機(jī)的速度降低。

為了提高整機(jī)的效率，馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)將存儲(chǔ)器部件加入了進(jìn)來(lái)，存儲(chǔ)器的速度相比外設(shè)要快很多并且有著一定的容量，在CPU運(yùn)算前，存儲(chǔ)器會(huì)預(yù)先加載大量的數(shù)據(jù)，往后CPU要進(jìn)行運(yùn)算時(shí)只需要從存儲(chǔ)器獲取數(shù)據(jù)，由于存儲(chǔ)器預(yù)先存儲(chǔ)了大量的數(shù)據(jù)，CPU可以向存儲(chǔ)器不斷的獲取數(shù)據(jù)，不存在空檔期，因此CPU就感受不到速度的差異，從而提高整機(jī)效率。

總結(jié)：

• 在數(shù)據(jù)傳輸層面，CPU只與存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

• 在數(shù)據(jù)傳輸層面，外設(shè)只與存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

根據(jù)如上對(duì)體系結(jié)構(gòu)的理解，可以得知計(jì)算機(jī)要執(zhí)行一個(gè)程序，首先要從磁盤這種外設(shè)加載到存儲(chǔ)器中，然后CPU通過(guò)存儲(chǔ)器獲取數(shù)據(jù)來(lái)執(zhí)行程序。

對(duì)數(shù)據(jù)流的理解

兩臺(tái)計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸示意圖如下:

兩臺(tái)計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸流程：設(shè)備1的輸入設(shè)備接收數(shù)據(jù)和請(qǐng)求然后傳入存儲(chǔ)器，CPU對(duì)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)和請(qǐng)求做處理，然后將數(shù)據(jù)和請(qǐng)求傳回存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器將數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)和請(qǐng)求傳到輸出設(shè)備中，輸出設(shè)備將數(shù)據(jù)和請(qǐng)求傳入到設(shè)備2的輸入設(shè)備中，設(shè)備2同設(shè)備1將數(shù)據(jù)和請(qǐng)求經(jīng)輸入設(shè)備到存儲(chǔ)器到CPU到存儲(chǔ)區(qū)最后到數(shù)據(jù)設(shè)備輸出。

了解操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)的概念

操作系統(tǒng)是一款進(jìn)行軟硬件資源管理的軟件。

管理的概念

為了更好理解管理的概念，我們來(lái)看如下場(chǎng)景:

一個(gè)學(xué)校中要舉辦編程大賽，學(xué)校中有校長(zhǎng)，輔導(dǎo)員，學(xué)生三種角色。

• 校長(zhǎng)決定編程大賽在下個(gè)月舉辦，要求全部學(xué)生必須參加，并且將全部學(xué)生的成績(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

• 輔導(dǎo)員得到校長(zhǎng)的決策后，就召集全部學(xué)生開(kāi)啟大會(huì)，告知學(xué)生學(xué)校編程大賽的消息，籌備大賽，并在后續(xù)完成成績(jī)統(tǒng)計(jì)工作。

• 學(xué)生得知校長(zhǎng)的決策后，就開(kāi)始著手準(zhǔn)備編程大賽的準(zhǔn)備工作。

在如上的場(chǎng)景中，校長(zhǎng)所作的內(nèi)容就是做決策，輔導(dǎo)員所作的內(nèi)容是將決策落地，也就是執(zhí)行決策，學(xué)生所作的內(nèi)容是參與決策的執(zhí)行。

在學(xué)校舉辦編程大賽的場(chǎng)景下，校長(zhǎng)作為管理者，所要做的主要工作就是對(duì)任務(wù)做決策。決策編程大賽的舉辦時(shí)間，參與大賽的對(duì)象以及大賽相關(guān)所需要做的工作。因此我們可以看出管理的核心就是對(duì)事情相關(guān)的部分做決策。

管理的本質(zhì)

同樣是學(xué)校的場(chǎng)景，學(xué)校中有校長(zhǎng)，輔導(dǎo)員，學(xué)生三種角色。

在學(xué)校中，校長(zhǎng)要管理學(xué)生考入時(shí)入學(xué)處理，對(duì)成績(jī)優(yōu)異的學(xué)生進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)，成績(jī)不合格的學(xué)生的退學(xué)處理等等，在管理每一個(gè)學(xué)生時(shí)校長(zhǎng)不需要跟每一個(gè)學(xué)生都進(jìn)行交流，但是校長(zhǎng)卻能管理好每一個(gè)學(xué)生，校長(zhǎng)管理每一個(gè)學(xué)生的依據(jù)是學(xué)生信息，比如入學(xué)時(shí)將學(xué)生的信息記錄到學(xué)校中，查看學(xué)生的成績(jī)信息就成績(jī)優(yōu)異的學(xué)生進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)，查看學(xué)生的成績(jī)信息對(duì)成績(jī)較差的學(xué)生進(jìn)行退學(xué)處理，以上這些學(xué)生信息都可以稱作數(shù)據(jù)，因此管理的本質(zhì)是對(duì)數(shù)據(jù)的管理。其中校長(zhǎng)作為管理者，其數(shù)據(jù)的來(lái)源是輔導(dǎo)員進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)生的信息然后上交給的校長(zhǎng)，校長(zhǎng)做出決策后執(zhí)行決策的也是輔導(dǎo)員。

管理的精髓“先描述，再組織”

由于管理的本質(zhì)是對(duì)數(shù)據(jù)的管理，為了更好的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，比如對(duì)于一個(gè)學(xué)生來(lái)講，可以創(chuàng)建一個(gè)結(jié)構(gòu)體來(lái)描述學(xué)生，結(jié)構(gòu)體里包含學(xué)生的各種屬性，由于要管理的學(xué)生眾多，因此，需要將描述學(xué)生的結(jié)構(gòu)體組織起來(lái)方便管理，比如鏈表結(jié)構(gòu)：

以上對(duì)學(xué)生用結(jié)構(gòu)體描述，然后用鏈表結(jié)構(gòu)組織起來(lái)的方式就是**“先描述，再組織”**。

經(jīng)過(guò)先描述，再組織后，校長(zhǎng)要開(kāi)除成績(jī)最差的學(xué)生時(shí)，只需要遍歷鏈表尋找成績(jī)最差的學(xué)生的結(jié)點(diǎn)，然后將其結(jié)點(diǎn)刪除，這樣學(xué)生就不在學(xué)校管理范圍內(nèi)，也就是被開(kāi)除了。

計(jì)算機(jī)軟硬體系結(jié)構(gòu)(部分)

上面的學(xué)校場(chǎng)景中，校長(zhǎng)、輔導(dǎo)員、學(xué)生對(duì)應(yīng)計(jì)算機(jī)中的就是操作系統(tǒng)、硬件驅(qū)動(dòng)、硬件，這些部分參與了計(jì)算機(jī)軟硬體系結(jié)構(gòu)的組成：

• 操作系統(tǒng) – 對(duì)硬件進(jìn)行先描述，再組織，然后通過(guò)對(duì)硬件的這種數(shù)據(jù)建模進(jìn)行管理。
• 硬件驅(qū)動(dòng)（軟件） – 傳達(dá)操作系統(tǒng)的決策給硬件，讓硬件去執(zhí)行，并獲取硬件的數(shù)據(jù)信息和請(qǐng)求上交給操作系統(tǒng)。
• 硬件 – 將操作系統(tǒng)下發(fā)的決策進(jìn)行執(zhí)行，上交請(qǐng)求給硬件驅(qū)動(dòng)。

操作系統(tǒng)的管理策略

操作系統(tǒng)管理的目的： 為上層的用戶提供安全、穩(wěn)定、高效、功能豐富的執(zhí)行環(huán)境。

用戶可能會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件有各種各樣的需求，比如讓計(jì)算機(jī)的音響音量放大等，用戶如果直接操作硬件可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，因此操作系統(tǒng)作為硬件的管理者，不會(huì)讓用戶直接去訪問(wèn)硬件，而是提供了各種各樣的系統(tǒng)接口，用戶可以通過(guò)調(diào)用系統(tǒng)接口來(lái)實(shí)現(xiàn)想要的功能，通過(guò)這種方式，操作系統(tǒng)可以認(rèn)為用戶的行為是可控的，從而更好的提供良好的執(zhí)行環(huán)境。

編程語(yǔ)言和計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的關(guān)系

編程語(yǔ)言的使用在計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中處于操作系統(tǒng)的上層–用戶層，編程語(yǔ)言為了降低用戶使用系統(tǒng)接口的成本，將系統(tǒng)接口封裝成了庫(kù)函數(shù)供用戶使用：

計(jì)算機(jī)軟硬體系結(jié)構(gòu)(整體)

計(jì)算機(jī)軟硬體系結(jié)構(gòu)是層狀的，包含用戶層，用戶操作接口層、系統(tǒng)調(diào)用接口層、操作系統(tǒng)層、硬件驅(qū)動(dòng)層、硬件層：

程序執(zhí)行任何操作都需要由計(jì)算機(jī)軟硬體系結(jié)構(gòu)的上層不斷向下層傳遞才能完成。文章來(lái)源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-647238.html

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