??馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)

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馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)

????認(rèn)識馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)
??????硬件分類
??????各個硬件的簡單認(rèn)識
????????輸入輸出設(shè)備
????????中央處理器
????????存儲器

????關(guān)于內(nèi)存

????對馮諾依曼體系的理解

????操作系統(tǒng)

????操作系統(tǒng)概念

??????設(shè)計操作系統(tǒng)的目的
??????理解管理概念
??????管理工作
??????先描述，再組織
??????為什么要有操作系統(tǒng)
??????總結(jié)

????系統(tǒng)調(diào)用

??????理解系統(tǒng)調(diào)用
??????總結(jié)

????本文小結(jié)

前言：

??我們常見的計算機(jī)，像筆記本，臺式機(jī)等，不常見的計算機(jī)，像服務(wù)器，大部分都遵守馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)。那馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)究竟是什么呢？話不多說，開啟我們今天的話題！

??認(rèn)識馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)

??硬件分類

??截止到目前為止，我們所認(rèn)識的計算機(jī)都是由一個個硬件組件組成。

• ?輸入單元：包括鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀等設(shè)備。
• ?輸出單元：顯示器，打印機(jī)等。
• ?中央處理單元：簡稱CPU。
  |
  |______ 運(yùn)算器：對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算任務(wù)
  |
  |______ 控制器：對計算機(jī)硬件流程進(jìn)行一定的控制

關(guān)于馮諾依曼，必須 強(qiáng)調(diào) 的幾點(diǎn)：

• ?不考慮緩存的情況下，這里的CPU只能對內(nèi)存進(jìn)行讀寫，不能訪問外設(shè)。
• ?外設(shè)要輸入輸出數(shù)據(jù)，也只能從內(nèi)存寫入和讀取數(shù)據(jù)。
• ?也就是說，所有設(shè)備只能直接和內(nèi)存打交道。

注意： 它們都是獨(dú)立的個體， 各個部分必須用 總線 連接起來，總線分為 系統(tǒng)總線 和 IO總線。

??各個硬件的簡單認(rèn)識

?? 輸入輸出設(shè)備

??輸入輸出設(shè)備是指能夠把數(shù)據(jù)輸入到計算機(jī)或者把計算機(jī)處理的數(shù)據(jù)輸出給用戶的設(shè)備?？梢哉f，它是計算機(jī)與外界溝通的橋梁，沒有輸入輸出設(shè)備，計算機(jī)就沒辦法接收發(fā)送數(shù)據(jù)，更不能和用戶進(jìn)行交互。

?? 中央處理器

??中央處理器全稱Central Processing Unit，簡稱CPU，它由 負(fù)責(zé)執(zhí)行算數(shù)邏輯運(yùn)算 的 運(yùn)算器（ALU） 和 負(fù)責(zé)控制計算機(jī)運(yùn)行，協(xié)調(diào)其他部件工作 的 控制器（CU） 組成。CPU是計算機(jī)中最重要的硬件之一，它的性能決定了計算機(jī)整體性能。

?? 存儲器

??存儲器是 指內(nèi)存，而不是磁盤，具有 “掉電易失” 的特性，如果突然停電導(dǎo)致計算機(jī)不能正常工作，那么加載到內(nèi)存中的數(shù)據(jù)就很容易丟失了。而我們所謂的 磁盤，其實(shí) 也屬于輸入輸出設(shè)備的一種。

??關(guān)于內(nèi)存

??不知道你有沒有想過，我們直接讓CPU與輸入輸出設(shè)備進(jìn)行交互就好了啊，為什么還需要內(nèi)存這個 “中間商” 呢？

??其實(shí)，在我們計算機(jī)當(dāng)中，存在著一種存儲金字塔模型：

??我們可以發(fā)現(xiàn)：

• ?距離CPU越近的存儲單元，效率越高，造價貴，單體容量小。
• ?距離CPU越遠(yuǎn)的存儲單元，效率越低，造價便宜，單體容量大。

??輸入與輸出這些是設(shè)備，距離CPU有一定距離，而相 對CPU來說，這些設(shè)備的速度就顯得非常慢 了，而有一個原理叫做 木桶效應(yīng)：

??一個團(tuán)隊的好壞，取決于最差的那個人，而計算機(jī)也是如此，整個計算機(jī)就像一個團(tuán)隊一樣，而這些外設(shè)對于CPU來說非常的慢，所以這些外設(shè) 必定會拖慢CPU的速度。

??于是人類就在計算機(jī)外設(shè)與CPU之間，加上了 內(nèi)存 ，讓外設(shè)直接訪問到內(nèi)存，CPU也只需要從內(nèi)存中拿數(shù)據(jù)即可。

??但是這似乎看起來更加拖慢速度了？原本我CPU只需要與外設(shè)打交道，現(xiàn)在還多了個 “中間商” 在那賺差價，不就變得更慢了嗎？

??其實(shí)，在我們內(nèi)存中，存在著兩個機(jī)制：預(yù)先加載 和 緩存 技術(shù):

• ?預(yù)先加載：指在用戶調(diào)度之前，預(yù)先將數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存或緩存 中，這樣可以減少用戶的等待時間。
• ?緩存：將 數(shù)據(jù)存儲在臨時存儲器 中，以便于快速訪問。

??這就好比，在工作當(dāng)中有一個急性子和一個慢性子的人合作，而事情往往會向著慢性子的方向發(fā)展，但是如果在來一個性子適中的人，既可以催促慢性子人工作，等到慢性子的人匯聚一定工作結(jié)果，適中性子的人再將結(jié)果反饋給急性子的人，而其他閑的時候也可以和急性子的人一起干其他事情。

??而我們存儲金字塔越往塔尖就存儲設(shè)備就越貴，如果我們把內(nèi)存全部換為更加高效的寄存器，效率確實(shí)很高，但是我們 普通用戶消費(fèi)不起 啊，而最 適中且大眾能夠接受 的選擇就是 內(nèi)存！

??我們再看馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)：

??我們只看數(shù)據(jù)流動的信號，我們來思考一個問題：為什么我們前面說程序在運(yùn)行的時候，為什么要先把程序加載到內(nèi)存？

??我們要先知道，程序文件是存儲在磁盤當(dāng)中 的，而程序中的指令和數(shù)據(jù)，是要被CPU拿來執(zhí)行的，磁盤屬于外設(shè)，那么根據(jù)上圖，外設(shè)就 必須要先經(jīng)過內(nèi)存，才能被CPU讀取。

??結(jié)論：因?yàn)轳T諾依曼體系是這樣規(guī)定的，所以運(yùn)行程序要先加載到內(nèi)存！

??對馮諾依曼體系的理解

??對馮諾依曼體系的理解不能只停留在概念上，要深入到軟件數(shù)據(jù)流理解上，我們拿在QQ與別人聊天為例子：

??阿熊與遠(yuǎn)在異地的女朋友聯(lián)系，一個在安徽，一個在北京，并且兩人都在用電腦聊天，這時，阿熊給女朋友發(fā)了一句：“在嗎？”
??我的問題是：當(dāng)阿熊輸入 在嗎 這個字符串，整個數(shù)據(jù)的信息流動是怎樣的？

??首先，兩人都是用電腦在聯(lián)系，那么兩臺電腦就是兩臺馮諾依曼機(jī)，而發(fā)送端輸入的內(nèi)容經(jīng)過馮諾依曼處理，由網(wǎng)卡經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所送到對端，對端再由網(wǎng)卡接收，進(jìn)行解包等操作，最后到輸出設(shè)備。

??這個時候，阿熊的女朋友剛學(xué)完C語言，直接給阿熊發(fā)了一個關(guān)機(jī)程序，阿熊女朋友將程序拖入聊天框內(nèi)，點(diǎn)擊發(fā)送。
??我的問題是，這個時候的數(shù)據(jù)傳輸又是怎樣的？

??其實(shí)只需要把上圖的接收端和發(fā)送端調(diào)換一下位置，程序要傳輸，需要先被加載到內(nèi)存中，在由輸出設(shè)備經(jīng)網(wǎng)卡傳輸，接收端也是由網(wǎng)卡接收到輸入設(shè)備，加載到內(nèi)存進(jìn)行解包等操作，最后到了阿熊的輸出設(shè)備。

??結(jié)論：數(shù)據(jù)在流動的時候必須從外設(shè)到達(dá)內(nèi)存，完全遵循馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)。

??操作系統(tǒng)

??什么是操作系統(tǒng)，對我們來說，這是一個很模糊的觀念，今天我們就來簡單認(rèn)識一下操作系統(tǒng)。

??我們先來了解一下計算機(jī)層狀結(jié)構(gòu)圖：

??操作系統(tǒng)概念

??任何計算機(jī)系統(tǒng)都包含一個基本的程序集合，稱為操作系統(tǒng)(OS)。籠統(tǒng)的理解，操作系統(tǒng)包括：

• ?內(nèi)核（進(jìn)程管理，內(nèi)存管理，文件管理，驅(qū)動管理）
• ?其他程序（例如函數(shù)庫，Shell程序等）

也可以這樣理解：操作系統(tǒng)是一個 軟硬件 資源 管理 的 軟件。

??設(shè)計操作系統(tǒng)的目的

• ?與硬件進(jìn)行交互，管理所有的軟硬件資源。
• ?為用戶程序（應(yīng)用程序）提供一個良好的執(zhí)行環(huán)境。

??在整個操作系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)中，操作系統(tǒng)的 定位 是：一款純正的 “搞管理” 的軟件。

??理解管理概念

那么什么叫做 管理？

?世界上無非就三種人，一種是 做決策的人，一種是 做執(zhí)行的人，還有一種是 既做決策，也做執(zhí)行 的人。而我們的管理者其實(shí)就是做決策的人，而被管理者就是做執(zhí)行的人。

??那么對于我們操作系統(tǒng)來說，操作系統(tǒng)就是管理者，底層硬件部分就是被管理者。

??管理工作

??我們拿校園生活舉例：

??在大學(xué)期間，校長就是管理者，輔導(dǎo)員是保證管理決策的落地，而學(xué)生就是被管理者。在大學(xué)開學(xué)之前，校長沒見到你的面，但是卻知道你是我們學(xué)校的，于是將錄取通知書發(fā)給你。

??明明校長沒有和你見過面，但是卻能將錄取通知書發(fā)給你，說明管理者不需要對執(zhí)行者見面。

結(jié)論：管理者的本質(zhì)，不在于對人做管理，而在于對人的信息做管理，管理者的核心工作是做決策，根據(jù)數(shù)據(jù)來做決策。

??這里有個疑問：為什么沒有見過面，但是校長卻知道我？

??其實(shí)是因?yàn)檩o導(dǎo)員保證了校長所做決策的落地，輔導(dǎo)員在你還沒上大學(xué)的時候，就已經(jīng)將你的信息從高中檔案里拿到了。而校長只需要從輔導(dǎo)員那里獲取信息即可。

??先描述，再組織

??但是，當(dāng)數(shù)據(jù)量很大的時候，我們的校長該如何管理呢？假如我們的校長曾經(jīng)是個教C語言的老師，校長C語言很好，于是，校長寫了一個 結(jié)構(gòu)體 來對每個學(xué)生的信息進(jìn)行管理：

struct Student{
	char name[20];//姓名
	char sex[5];//性別
	int age;//年齡
	char tele[20];//電話
	//...
};

??每個學(xué)生的信息我們用結(jié)構(gòu)體對象來存儲，但是如何讓很多學(xué)生的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來呢？這時校長想到了在學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時學(xué)過的——鏈表，使用 鏈表將學(xué)生信息進(jìn)行關(guān)聯(lián) 起來：

struct Student{
	char name[20];//姓名
	char sex[5];//性別
	int age;//年齡
	char tele[20];//電話
	//...
};
struct Student *next; //鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)起數(shù)據(jù)

??有了鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)之后，校長就對著整個鏈表在那里翻看，校長一想，這不對啊，這樣的話還用鏈表存儲干嘛呢？直接讀不就完了？
??然后校長想到，寫一批 對鏈表的增刪改查 的代碼,這樣，當(dāng)學(xué)校需要一個會C++的同學(xué)參加比賽，那么校長直接遍歷這個鏈表，找到C++考的最好的同學(xué)去參加即可。

??這樣以來，校長所有的決策工作，就變?yōu)榱藢︽湵淼脑鰟h查改！

??其實(shí)這也就是對管理的一個 計算機(jī)建模 的過程，這個過程用六個字來總結(jié)就是：先描述再組織！

如何理解六個字？

??就拿上面的結(jié)構(gòu)體舉例，校長想要管理學(xué)生，需要知道這個學(xué)生的脾氣嗎？需要知道這個學(xué)生的愛好嗎？不需要，校長只需要知道學(xué)生的屬性信息即可，也就是將學(xué)生的屬性信息進(jìn)行具象化描述，再將這些屬性組織起來，就是Student結(jié)構(gòu)體，再以鏈表的形式進(jìn)行管理。
??所以，校長對學(xué)生的管理工作 轉(zhuǎn)化為了 對鏈表的增刪查改！

??那么將學(xué)生、輔導(dǎo)員、校長映射到操作系統(tǒng)中就是：

??為什么要有操作系統(tǒng)

??現(xiàn)在再來看這個問題，其實(shí)就是在問：為什么要有操作系統(tǒng)的管理？

• ?對下管理好軟硬件資源 ——手段
• ?對上提供一個良好的運(yùn)行環(huán)境 ——目的

??操作系統(tǒng)通過對下硬件的管理，對上給用戶提供 安全、穩(wěn)定、高效、功能豐富的執(zhí)行環(huán)境，讓用戶有一個好的體驗(yàn)，這就是操作系統(tǒng)存在的意義。

??總結(jié)

• ?管理者和被管理者不需要見面。
• ?管理的本質(zhì)是 對被管理者的數(shù)據(jù)做管理。
• ?管理的方法是：先描述，再組織。

??系統(tǒng)調(diào)用

??理解系統(tǒng)調(diào)用

??我們前面所介紹的是從操作系統(tǒng)到硬件的過程，下面我們來談?wù)剰牟僮飨到y(tǒng)往上的部分：

??在操作系統(tǒng)往上的部分，是面向用戶的，但是為什么在用戶和操作系統(tǒng)之間卻存在一個叫做 系統(tǒng)調(diào)用 的東西？

??這時候舉一個例子來幫大家理解：

??大家在去銀行取錢的時候，你去到跟前臺說：“我要取100萬”，難道這個時候前臺就會乖乖的給你去金庫里拿錢了？天知道你是不是真的有100萬，而且就算有你該怎么證明？

??銀行不能保證錢是你的錢，不能保證你是好人還是壞人，而我們前面也說了，這里的銀行就是操作系統(tǒng)，而我們前面也說了，操作系統(tǒng)的目的是為了給用戶 提供安全 高效的服務(wù)。這明顯很不安全。

??這就好比銀行直接讓來的用戶自己去金庫里取錢，是一件很危險的事情，操作系統(tǒng)也是如此。也就是說，操作系統(tǒng)直接交給用戶來操作是一件很危險的事情，于是在用戶和操作系統(tǒng)之間出現(xiàn)了——系統(tǒng)調(diào)用。

??系統(tǒng)調(diào)用就像是銀行的柜臺，如果你是來搶劫銀行的，那柜臺那頭的小姐姐會毫不猶豫的按下報警按鈕，防止金錢丟失。而系統(tǒng)調(diào)用正是如此。

??操作系統(tǒng)不知道你是好人壞人，干脆把大家都當(dāng)為壞人，你只能通過我給你的接口來進(jìn)行訪問，內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的屬性用戶不能直接更改，需要通過系統(tǒng)調(diào)用接口來間接更改。

??其實(shí)將其抽象化，可以把操作系統(tǒng)看為一個巨大的類，而類中public部分是給用戶展示的，用戶可以直接操作，而private部分用戶不可直接操作，可以調(diào)用接口來間接修改private內(nèi)部的屬性。

??總結(jié)：

• ?從開發(fā)角度而言，操作系統(tǒng)對外會表現(xiàn)為一個整體，但是會暴露自己的部分接口，供上層開發(fā)使用，這部分由操作系統(tǒng)提供的接口，叫做——系統(tǒng)調(diào)用。
• ?系統(tǒng)調(diào)用在使用上，功能比較基礎(chǔ)，對用戶的要求相對也比較高，所以，有些開發(fā)者會對部分的系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)行封裝，從而形成了庫，有了庫，就很有利于更上層的用戶或開發(fā)者進(jìn)行二次開發(fā)。

????本文小結(jié)

• ?大部分計算機(jī)都是馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)所組成的。
• ?馮諾依曼組成的各個部件都只與內(nèi)存進(jìn)行直接的交互.
• ?操作系統(tǒng)是一個對軟硬件進(jìn)行資源管理的軟件。
• ?操作系統(tǒng)向下進(jìn)行管理，方式是：先描述，再組織。向上提供安全、高效的服務(wù)。
• ?為了操作系統(tǒng)安全，需要有系統(tǒng)調(diào)用作為媒介讓用戶與操作系統(tǒng)進(jìn)行交互。

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