冯诺依曼体系与操作系统的理解

目录

一.冯诺依曼体系结构

存储分级

为什么程序运行之前，必须加载到内存上？

二.操作系统

操作系统是什么？

为什么需要操作系统？

操作系统是如何管理软硬件资源？

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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

截至目前，我们所认识的计算机，都是有一个个的硬件组件组成

输入单元 ：包括键盘 , 鼠标，usb,磁盘/ssd，网卡

存储器 ：存储器起始就是 内存 ！

中央处理器(CPU) ：含有运算器和控制器等

输出单元 ：显示器，打印机，网卡，显卡等

内存与磁盘的区别：

内存和磁盘是计算机中的主要存储部件

内存是利用电效益实现的

一旦电脑断电，内存存储的数据会全部丢失

磁盘（永久存储介质)是外设，可以永久存储数据。

内存的特点：处理数据速度非常快，造价高

磁盘的特点：相对于内存处理数据的速度较慢，造假低

注：计算机中几乎所有设备都有存储数据的功能，只是存储能力有大有小。

处理数据的速度：CPU>内存>各种外设（磁盘）

存储分级

从图中我们可以看出：

以cpu为中心，距离CPU越近，存储效率越高，造价越高。距离CPU越远，存储效率越低。造价越低

为什么采用存储分级？

如果全部都采用高价的存储介质，速度快但太贵，

如果全部采用低价的存储介质，便宜但速度太慢

因此，为了使造价相对较低，速度较快，采用了内存分级：

在数据层面上CPU一般不和外设直接交互(防止出现木桶效应，导致整机效率太低)，CPU优先与内存进行数据交换，再进行处理。因此再在硬件上内存也可以看出成一个巨大的缓存。

因此基于冯诺依曼体系结构的计算机，本质：就是用比较少的钱，造出效率不差的计算机（性价比较高）

为什么程序运行之前，必须加载到内存上？

程序=代码+数据，最终都要CPU来执行，要想处理这些，CPU要先读取这些代码和数据，CPU和内存有“数据（二进制层面）”层面的交互，形成一个exe的可执行文件，而文件只能存储在磁盘（外设）中保存。而现代计算机大多数都是采用的冯诺依曼结构，CPU与内存进行数据交互，因此需先把exe文件（要执行的程序）里的东西，加载到内存上，才可以运行。

二.操作系统

操作系统是什么？

是一款软件，进行软硬件资源管理的软件。

是计算机开机后，第一个加载的软件

为什么需要操作系统？

我们知道，世界上第一台计算机埃尼阿克，他是没有操作系统的，他需要专业的人员手动的进行各种操作且很容易出错，同时具有的功能也很少。因此为了方便使用人员，大佬们专门写了一块软件来进行，让我们可以通过一些简单的指令或动作，告诉操作系统，让它代替我们对硬件进行一系列的操作。

简单来说：

操作系统可以代替我们对软硬件进行资源管理（手段），给用户提供良好（易用，稳定，安全，高效）的使用环境（目的）

操作系统是如何管理软硬件资源？

计算机的层状结构：

 举一个例子（校园管理）

在你来到入学时，记录你各种信息的档案会到学校里，然后你在学校这四年的学习与其他情况都会记录在你的档案里，在这期间，学校会根据你的档案里记录的信息对你进行管理，为了方便管理，可以定义一个student结构体记录信息

struct student
{
    int age;
    int grade;
    string name;
    ....
}

为了方便保存，查找等，学校将student以链表的方式链接在一起

struct student
{
    struct student* next;
    int age;
    int grade;
    string name;
    ....
}

从此学校对于学生的管理就变成了对结构体链表的管理，我们可以通过访问结构体的信息，来对链表进行增删查改（对学生进行扩招，开除）。

管理的本质不是管人，而是管理数据。

对学生的管理，就是我们计算机管理的建模过程。

我们可以总结对事务的管理：

先描述，再组织

操作系统管理核心有：

1.进程管理

2.内存管理

3.文件/IO管理

4.驱动管理

这些管理都遵循：先描述，再组织。

再看计算机的层状结构

对于下三层，我们知道操作系统通过先描述，再组织，将底层的硬件管理好。我们知道，操作系统给用户提供了良好的使用环境，那么用户是谁呢，又如何提供良好的环境呢？

广义上：用户包括所有使用计算机的人，

狭义上：用户是开发者（这里我们用户默认为开发者）。

在技术层面上，操作系统是可以实现，用户直接使用操作系统提供的各种功能的，但是因为不能确保群众中有没有坏人，因此操作系统是不完全信任用户的，用户不能直接使用操作系统，但是操作系统由不得不为用户提供服务。

因此，为了确保安全，操作系统会把各个功能，封装成一个一个的系统调用函数，用户只能通过系统调用函数，来获取操作系统的数据，因为系统调用函数是操作系统实现的，因此用户只能获得有限的数据，有效的防止群众中的坏人进行破坏。

一般用户想访问操作系统数据或者硬件，必须通过系统调用。

由于系统调用函数使用起来比较麻烦

站在用户的角度，创造了外壳程序（shell，图形化界面），让用户使用一些简单的指令就可以调用系统调用函数。

站在开发者的角度，是可以直接调用系统接口的，但是为了一些小白考虑，将一些系统接口封装成了各种各样的函数，打包形成库，方便了所有开发者使用，不用自己去写，而是直接调用库函数，提高了开发效率，降低开发成本。

库函数于系统调用函数是什么关系？

上下层（库函数里面封装了系统调用函数）。

因此：

广义上的操作系统：包括操作系统，shell（外壳程序），语言库，系统调用

狭义的操作系统：操作系统（以为就是我们平时所说的Linux内核）