冯诺依曼体系与操作系统

看完本文，你会了解到：

• 认识冯诺依曼体系结构

• 操作系统概念与定位

目录

冯诺依曼体系结构

引入冯诺依曼体系结构

所有的设备都只能和内存打交道

对冯诺依曼的理解，不能停留在概念上，要深入到对软件数据流理解上

冯诺依曼体系结构带来的启示

操作系统（Operator System）

基本概念

设计操作系统（OS）的目的

定位

如何理解管理

计算机软硬件架构推导

谈谈进程

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。

引入冯诺依曼体系结构

先上经典老图：

计算机是硬件和软件的完美结合，通过冯诺依曼体系结构的学习我们能了解其硬件的组成原理

• 输入设备：包括键盘, 鼠标，扫描仪, 写板，网卡等。

• 中央处理器(CPU)：含有运算器和控制器等。

• 输出设备：显示器，网卡，打印机等。

注意点：

• 网卡等设备既是输入设备，也可以是输出设备。

• 这里的存储器指的是内存。

所有的设备都只能和内存打交道

为什么外设不直接和CPU进行交互？

        众所周知，CPU很快，而外设是很慢的，如果直接交互，CPU就不得不等待慢吞吞的硬件，造成效率上的浪费。为了提高整机的效率，所以我们设置内存，所有设备都只能和内存交互,CPU处理内存中数据的同时，外设也可以向内存中输入数据。

外存和内存

• 这里的存储器指的是内存，而内存有着掉电易失性，速度不快也不慢（相较于CPU慢，比外设快）。

• 磁盘是外存，拥有永久存储的能力，速度慢（相较于内存）。

IO是什么？

我们平时所说的IO是什么呢？I是指input，我们将数据从外设加载到内存。O是指output，我们将数据从内存输出到外设。

对冯诺依曼的理解，不能停留在概念上，要深入到对软件数据流理解上

请解释，从你登录上qq开始和某位朋友聊天开始，数据的流动过程。从你打开窗口，开始给他发消息，到他看到消息之后的数据流动过程。

        我们先通过键盘输入消息，然后加载到内存，CPU从内存中读取数据，进行加密和计算后再放到内存，显示器（显示消息到屏幕上）和网卡（发送数据到网络）再从内存中读取数据。（忽略网络部分处理细节）

        朋友电脑的网卡从网络上获取到了我们发送的数据，然后加载到内存，CPU从内存中读取数据，进行解密和计算后再放到内存，显示器再从内存读取相关的数据，显示到屏幕上。

冯诺依曼体系结构带来的启示

1. 我们所写的程序都需要先加载到内存中。

2. 所有的设备都只能和内存打交道。

3. cpu要访问我的代码和数据只能从内存中访问。

操作系统（Operator System）

基本概念

操作系统是一款进行软硬件资源管理的软件

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：

• 内核（进程管理，内存管理，文件管理，驱动管理）

• 其他程序（例如函数库，shell程序等等）

设计操作系统（OS）的目的

        对下通过合理的管理好软硬件资源（手段）， 对上给用户提供良好（安全的、稳定的、高效的）的执行环境（目的）。

定位

        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。（对软硬件资源进行管理）

如何理解管理

以日常生活为例：

一个学校的校长要如何对学校进行管理呢？

        在学校的生活中，我们很少会与校长见面，但我们的数据校长是能够随时拿到的（各种信息），校长对我们的管理本质上是对我们的信息进行管理。

• 管理者不需要和被管理者直接交互，依然能够管理被管理对象。

• 管理者通过收集上来的数据来做决策。（如发奖学金按绩点排名等）

• 如何管理被管理者的数据？先描述，再组织，如用struct结构体来描述一个学生的信息，我们用链表将该结构体的对象链接起来，对学生数据的管理就变成了对该链表的增删查改操作。

 

计算机软硬件架构推导

驱动

先描述，再组织（用struct结构体描述起来，用链表或其他高效的数据结构组织起来）。通过驱动程序来管理硬件。（这也是为什么我们用蓝牙和鼠标等外设时需要对应的驱动程序）

系统调用接口

        为了安全，操作系统不相信任何人，但必须给上层用户提供各种服务。所以操作系统提供部分系统调用接口。

        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。

对系统调用的封装

系统调用接口使用的成本太高了，为了方便用户的使用，进行了封装。如c/c++语言库中封装了系统调用接口。

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。

 

用户进行操作

我们平时的操作基本都停留在用户层。

谈谈进程

        那在还没有讲进程之前，就问大家，操作系统是怎么管理进行进程管理的呢？很简单，先把进程描述起来，再把进程组织起来！下篇博客将介绍进程的基本概念。