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???個人專欄：《C語言》《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》《藍(lán)橋杯試題》《LeetCode刷題筆記》《實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目》《C++》《Linux》

??每一個不曾起舞的日子，都是對生命的辜負(fù)

目錄

前言

1.馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)

2.操作系統(tǒng)（OS）

（1）用戶到操作系統(tǒng)再到底層是如何組織的？

（2）計(jì)算機(jī)是如何管理軟硬件資源的？

前言

本篇文章主要與大家說明硬件層面與軟件層面上計(jì)算機(jī)運(yùn)行的一些機(jī)制。

• 硬件上主要帶大家認(rèn)識馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)
• 軟件層面對應(yīng)操作系統(tǒng)的相關(guān)概念

本篇文章也是為后面學(xué)習(xí)系統(tǒng)其他知識打基礎(chǔ)，有關(guān)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)大家需要翻越三座大山：進(jìn)程周邊、文件周邊以及線程周邊。

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1.馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)

我們知道計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生是為了解決人的問題，也就意味著計(jì)算機(jī)要有人機(jī)交互的功能，即輸入與輸出，人類發(fā)明計(jì)算機(jī)其實(shí)就如上面圖片所表達(dá)的意思一樣：人輸入一個數(shù)據(jù)，經(jīng)過計(jì)算機(jī)的處理，讓我們得到一個結(jié)果數(shù)據(jù)，即輸出。?

計(jì)算機(jī)通過輸入設(shè)備得到數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)當(dāng)中進(jìn)行一系列的算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算后，并且經(jīng)過控制（何時從輸入設(shè)備獲取數(shù)據(jù)，何時輸出數(shù)據(jù)到輸出設(shè)備等），最終通過輸出設(shè)備進(jìn)行輸出。

算邏運(yùn)算和控制的過程是由中央處理器完成的，也就是我們俗稱的CPU。

計(jì)算機(jī)的誕生是為了計(jì)算龐大的數(shù)據(jù)，但是對于數(shù)據(jù)的傳輸不同的存儲器又具備不同的效率，數(shù)據(jù)的傳輸過程，即拷貝的整體速度，是決定計(jì)算機(jī)效率的重要指標(biāo)，在未提出馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)之前，我們往往需要造價高昂的寄存器來組成整個計(jì)算機(jī)，來達(dá)到高速運(yùn)算的目的。

但是，現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)我們發(fā)現(xiàn)早已進(jìn)入千家萬戶，已然不是曾經(jīng)的“奢侈品”，這一切就要?dú)w功于馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)，如今的計(jì)算機(jī)大部分都遵守馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)。

馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)是如何降低成本的呢？

中央處理器顯然是需要高速計(jì)算的，所以中央處理器內(nèi)部就是由各種寄存器構(gòu)成，所以CPU的價格一般很高。

當(dāng)然寄存器不僅存在于CPU中，其他設(shè)備中也可能存在寄存器。

來看下物理存儲金字塔：

可以總結(jié)為：

• 靠近CPU的存儲單元（寄存器），效率高，造價貴，單體容量?。?/li>
• 遠(yuǎn)離CPU的存儲單元（服務(wù)器），效率低，造價低，單體容量大；?

輸入設(shè)備與輸出設(shè)備對于數(shù)據(jù)的處理很慢，如果直接與CPU相連，根據(jù)木桶效應(yīng)，整個計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度會被輸入輸出設(shè)備所拖累，那就不讓輸入輸出設(shè)備與CPU直接交互，馮諾依曼引入了內(nèi)存的概念，在CPU與輸入輸出設(shè)備之間設(shè)計(jì)了一個存儲器，即內(nèi)存。

內(nèi)存有個特點(diǎn)就是，比輸入設(shè)備和輸出設(shè)備要快很多，但是比CPU又要慢?，F(xiàn)在內(nèi)存就處于慢設(shè)備和快設(shè)備之間，是一個不快也不慢的設(shè)備，能夠在該體系結(jié)構(gòu)當(dāng)中就起到一個緩沖的作用。

從此以后，CPU只能對內(nèi)存進(jìn)行讀寫，不能直接訪問外設(shè)。

外設(shè)要輸入或輸出數(shù)據(jù)時，也只能寫入內(nèi)存或者從內(nèi)存中讀取。

總結(jié)一下現(xiàn)在整個數(shù)據(jù)流動的過程

用戶輸入的數(shù)據(jù)先放到內(nèi)存當(dāng)中，CPU讀取數(shù)據(jù)的時候就直接從內(nèi)存當(dāng)中讀取，CPU處理完數(shù)據(jù)后又寫回內(nèi)存當(dāng)中，然后內(nèi)存再將數(shù)據(jù)輸出到輸出設(shè)備當(dāng)中，最后由輸出設(shè)備進(jìn)行輸出顯示。

疑問：數(shù)據(jù)的流動過程中多了一個內(nèi)存，不應(yīng)該更慢了么？

局部性原理：根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，當(dāng)一個數(shù)據(jù)正在被訪問時，那么下一次有很大可能會訪問其周圍的數(shù)據(jù)。所以當(dāng)CPU需要獲取某一行數(shù)據(jù)時，內(nèi)存可以將該行數(shù)據(jù)之后的數(shù)據(jù)一同加載進(jìn)來，而CPU處理數(shù)據(jù)和內(nèi)存加載數(shù)據(jù)是可以同時進(jìn)行的，這樣下次CPU就可以直接從內(nèi)存當(dāng)中獲取數(shù)據(jù)。

輸出數(shù)據(jù)的時候也一樣，CPU處理完數(shù)據(jù)后直接將數(shù)據(jù)放到內(nèi)存當(dāng)中，當(dāng)輸出設(shè)備需要時再在內(nèi)存當(dāng)中獲取即可，這也就有了我們平常所說的緩沖區(qū)的概念。

例如，緩沖區(qū)滿了才將數(shù)據(jù)打印到屏幕上，使用fflush函數(shù)將緩沖區(qū)當(dāng)中的數(shù)據(jù)直接輸出，都是將內(nèi)存當(dāng)中的數(shù)據(jù)直接拿到輸出設(shè)備當(dāng)中進(jìn)行顯示輸出。

2.操作系統(tǒng)（OS）

操作系統(tǒng)是進(jìn)行軟硬件資源管理的軟件。

當(dāng)我們開機(jī)時，計(jì)算機(jī)第一個加載的軟件就是操作系統(tǒng)。

我們可以將操作系統(tǒng)抽象理解為管理者。

那在現(xiàn)實(shí)生活中一個好的管理者必須具有如下素質(zhì)：管理好下屬，服務(wù)好客戶。

映射到操作系統(tǒng)：

• 對下管理好軟硬件資源
• 對上提供良好（穩(wěn)定、高效、安全）的運(yùn)行環(huán)境

（1）用戶到操作系統(tǒng)再到底層是如何組織的？

首先我們從操作系統(tǒng)層向下研究：?

如圖，很顯然校長不會直接對你進(jìn)行管理，一般在你和校長之間還有一層甚至幾層的次級管理者，比如輔導(dǎo)員。

那映射到計(jì)算機(jī)也是同樣的：

在操作系統(tǒng)與底層硬件之間存在著驅(qū)動程序，由驅(qū)動程序來控制硬件的一些操作，并且驅(qū)動程序一般都是由硬件的生產(chǎn)商提供，這樣在硬件的操作方式改變時，我們只需要對驅(qū)動程序進(jìn)行相應(yīng)的更改，而無需對操作系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

然后我們向上研究：

在用戶與操作系統(tǒng)之間又存在怎樣的設(shè)計(jì)呢？

首先用戶一定是好人么，操作系統(tǒng)我們可以抽象為金庫，當(dāng)用戶需要取錢時，我們可以讓用戶自己到金庫中取么，當(dāng)然不能，群眾中有壞人怎么辦？

所以操作系統(tǒng)為了保護(hù)自己，隔絕用戶的危險操作，設(shè)計(jì)出了系統(tǒng)調(diào)用接口。

但普通用戶怎么知道如何使用這些接口呢，因?yàn)橐褂孟到y(tǒng)調(diào)用前提條件是你得對系統(tǒng)有一定了解。

所以在系統(tǒng)調(diào)用接口之上又構(gòu)建出了一批庫，例如libc和libc++，我們可以稱之為用戶操作接口。

實(shí)際上在語言級別上使用的各種庫，就是封裝了系統(tǒng)調(diào)用接口的，我們就是通過調(diào)用這些庫當(dāng)中的各種函數(shù)（例如printf和scanf）進(jìn)行各種程序的編寫。

（2）計(jì)算機(jī)是如何管理軟硬件資源的？

首先什么是管理？

校長管理你需要和你見面么？

答案當(dāng)然是不需要，因?yàn)?span style="color:#1c7331;">管理的本質(zhì)不是對人進(jìn)行管理，而是對信息的管理。

描述

那你的信息如何用計(jì)算機(jī)語言來描述呢？

在C語言中，我們一般使用結(jié)構(gòu)體。

在C++、JAVA這種面向?qū)ο蟮母呒壵Z言中，我們使用類和對象。

組織

那當(dāng)學(xué)生數(shù)量很多的時候，校長就需要將這些學(xué)生用某種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（STL容器）組織起來。

• 所以管理我們可以總結(jié)為：先描述，再組織。?

所有的計(jì)算機(jī)語言都遵循這一規(guī)則。

那計(jì)算機(jī)是如何管理軟硬件資源的呢？

我相信大家肯定已經(jīng)猜到了，一樣的道理，我們可以把軟硬件資源也描述為一個結(jié)構(gòu)體或者類和對象，然后利用某種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將他們組織起來，就在計(jì)算機(jī)層面上實(shí)現(xiàn)了對軟硬件資源的管理。

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