冯诺依曼体系结构与操作系统的概念及理解

Posted 2023-03-07 奇妙-

• 一、 冯诺依曼体系结构
• • 1、概念
  • 2、内存的作用
  • 3、硬件原理解释软件行为
• 二、操作系统的概念及基本作用
• • 1、概念
  • 2、设计操作系统的目的
  • 3、操作系统的主要作用
  • 4、什么是管理
  • 5、管理的目的
  • 6、操作系统如何为我们服务

一、 冯诺依曼体系结构

我们常见的计算机，如笔记本。我们不常见的计算机，如服务器，大部分都遵守冯诺依曼体系

1、概念

冯诺依曼体系结构基本组成部分：
1：输入设备：如鼠标，键盘，磁盘，网卡等
2：输出设备：显示屏，磁盘，网卡音响等
3：主存：注意主存就是我们常说的内存条
4：CPU: 我们常说的处理器，现代处理器为提高效率都会在CPU中内置高速缓存

输入设备简单理解就是给计算机提供数据的设备，如磁盘中的数据可以被读取，鼠标可以提供选择指令等

输出设备简单理解就是接收计算机输出的信息，如我们从网上下载了一个文件，文件最终是下载到磁盘中的（即计算机将网上内容下载解码后输出到了磁盘中）。

注意：
1、这里的内存指的是我们常说的内存条
2、不考虑缓存情况，这里的CPU能且只能对内存进行读写，不访问外设(输入或输出设备)
3、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。
总结：所有外设只能和内存打交道，内存是cpu和外设的传输中介。

2、内存的作用

首先咱要知道，计算机不同组成部分性能并不一致。

列如过去几十年中处理器性能都是持续且高速增长的，而硬盘的性能基本没有大的改变（本文先抛开固态硬盘，谈普通机械硬盘）

尽管CPU是计算机的核心，但计算机的性能既取决于CPU,也取决于其子系统的性能。如果不能高效的进行数据传输，仅仅提高CPU的性能是毫无意义的。这就和木桶效应一样

当人们意识到这一问题后便有了内存，
内存的作用：
1、先将要执行的数据都存储在内存中（包括外设的），相当于给要执行的数据排好了队，CPU直接到内存中取数据即可
2、计算机处理完数据后直接输出给内存，内存再将数据输出给输出设备

总结：由于内存速度介于硬盘和CPU之间，且内存相较于CPU其能储存的数据量是很大的，能源源不断的给CPU提供或接收数据。能有效缓解木桶效应，提高计算机整体效率。

但是：既然内存能提高效率我们为啥不用内存直接替代磁盘呢？
答：因为“贵”，内存相较于磁盘要贵得多，以ddr4内存为列8G需要150元，但150元却能买到1TB的磁盘；

3、硬件原理解释软件行为

在我们写好c代码后，编译的可执行文件会存放在文件中（也就是磁盘中）

当我们要执行该程序时，由上文所述可知。程序要执行应该先将程序加载到内存中，等待CPU将其执行。

而程序加载到内存的方式 windows 上是双击，在 linux 上则是 ./ 运行。

二、操作系统的概念及基本作用

首先咱先从下图中基本了解一下操作系统所扮演的角色

1、概念

任何计算机系统都包含一个基本的程序集合，称为操作系统(OS)。笼统的理解，操作系统包括：

1、内核（进程管理，内存管理，文件管理，驱动管理）
2、其他程序（例如函数库， shell程序等等）

2、设计操作系统的目的

1、与硬件交互，管理所有的软硬件资源
2、为用户程序（应用程序）提供一个良好的执行环境

就比如国家一样，不能没有自己的管理系统和政策，要搞好外交及内部资源的合理分配，提供一个良好的社会环境。

而计算机是为用户程序提供需要良好的执行环境，所以设计出了操作系统

3、操作系统的主要作用

在整个计算机软硬件架构中，操作系统的定位是： 一款纯正的“搞管理”的软件

管理对象：直接或间接管理计算机中的软硬件

4、什么是管理

这里指的是操作系统的管理

首先得清楚，管理的本质是做决策

先用一个抽象的列子

举个列子刚开学市领导要来学校检查，校长觉得为了展示学校最好的一面决定搞
一个全校的大扫除，随后校长将任务传达给了各班主任，班主任又传给班上的学
生们。紧接着学生开始了大扫除。

在上述例子中班主任并不是管理者而是对校长决策的执行者，学生也是对校长决策的执行。他们都是决策的执行者只是扮演的角色不一样。

而校长作为管理只是将自己的想法落地即可，校长只是做了一个决策。

在这一次活动中校长并没有直接向学生下达命令，学生接收到的是班主任的信息。
那

综上所述得出第一个结论：管理者不需要于被管理者直接接触或沟通

第二个列子：

最近学校组织了一次全校体检，体检结束后班主任拿到了全校学生的体检
报告，经筛选后将异常的报告整理给了校长，校长拿到异常报告后统一安
排这批学进行了复检

在这个案列中校长（管理者）并没有与学习直接接触，但依旧对学生进行了管理

得出第二个结论：管理是对被管理对象的数据做管理

在上述例子中校长，班主任，学生分别对应电脑的那个角色呢

校长对应的是：操作系统
班主任对应的是：硬件驱动
学生对应的是：硬件或软件程序

总结：
1、管理的本质是做决策
2、管理者不需要于被管理者直接接触或沟通
3、管理是对被管理对象的数据做管理

5、管理的目的

让计算机有安全，稳定、高效 的执行环境，提高用户体验感！

6、操作系统如何为我们服务

操作系统除了管理计算机外，他还能为我们提供服务对没错就是服务

例如 printf 是 C 语言通过头文件调用了系统接口，从而在屏幕中打印出
了程序结果

但为啥是调用接口呢？而不是我直接调用底层驱动想输出啥就输出啥，难道是不相信咱？
举个列子
我去银行取钱，银行要我提供卡还要密码才会从“小窗口”把钱递给我，绝对不会打开金库门说先生：进门左转有一个开着的保险贵，你自己清点好3000拿走就好了。注意别多拿哦！

上述列子说明银行虽然给我门提供服务，但他本质是不信任咱或任何人甚至会有安保措施

操作系统也是一样的，他虽然会给我们良好的用户体验及服务，但是他不信任任何人，他只会封装好后提供一些标准接口供大家使用，以保证系统的安全，稳定且高效运行。

而我们对这些接口的访问，就被称为操作系统的系统调用。