介绍冯诺依曼体系结构和操作系统

admin管理员组

文章数量:1794759

介绍冯诺依曼体系结构和操作系统

1. 冯诺依曼体系结构

我们常见的计算机，如笔记本。还有不常见的计算机如服务器，大部分都遵循冯诺依曼体系。

冯诺依曼体系结构

截止目前，我们所认识的计算机，都是由一个个的硬件组成的。各个硬件相互独立存在。

• CPU：运算器&&控制器
• 输入设备：话筒，摄像头，键盘，鼠标，磁盘，网卡等
• 输出设备：声卡，显卡，磁盘，显示器，打印机等 根据冯诺依曼体系，必须要强调的几点：
• 这里的存储器指的是内存，具有掉电易失的特点
• 不考虑缓存的情况，这里的CPU能且只能对内存进行读写，不能访问外设（输入或输出设备）
• 外设（输入或输出设备）要在输入或者输出数据，也只能写入内存或者从内存读取。
• 所有设备都只能直接和内存打交道。 考虑到设备中的数据流动，设备间是连接的，通过总线将彼此独立的个体连接，可能有人会说现在电脑中那来那么多线啊，现在的总线都集成在主板中当然就不容易发现，但它们是存在的，本质也是为了让设备间进行数据的来回拷贝。

提问：为什么体系结构中要存在内存，直接简化为输入->CPU->输出不是更好吗？ 回答：

1. CPU的处理速度是非常快的，而直接输入数据的速度取决你输入的速度，不可能比CPU的处理速度的，根据"木桶效应"(一只水桶能盛多少水，并不取决于最长的那块木板，而是取决于最短的那块木板。也可称为短板效应。一个水桶无论有多高，它盛水的高度取决于其中最低的那块木板。)，输入数据的速度严重拖累的CPU，为了充分发挥CPU的性能，计算机在存储内有一个金字塔的结构： 计算机存储金字塔：越往下读取速度越慢，价格越便宜。

计算机存储金字塔

因为存储金字塔的缘故，可以同时处理多条信息，将需要先处理的信息的给CPU处理，其他信息存储在CPU的下级芯片内，等待处理。如此一来处理速度就变快了。

冯诺依曼体系结构

1. 为了让计算机的价格降下来，因为CPU的存储又小又贵，如果内存也用CPU来处理，计算机的价格将变得十分高昂。体系结构存在内存，计算机整体的效率就变成了以内存的访问效率为主。内存的引入把效率问题，转化为了软件问题，它可以让我们的计算机效率还不错，且较便宜，我们才能买的起电脑。 对冯诺依曼得理解，不能停留在概念上，要深入到软件数据流理解上 问题：解释你在qq上和朋友聊天过程中，开始你发信息到对面接受到信息时数据得流动过程。 回答：数据从输出设备（键盘）经过内存到输出设备（网卡）发送到对方设备由输入设备（网卡）接受经过内存到输出设备（显示屏）。

2. 操作系统（Operator System）

概念： 任何一台计算机系统都包含一个基本的程序集合，被称为操作系统（Operator System），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）

操作系统是一个进行着软硬件资源管理的软件。

设计OS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。

定位

1. 在整个计算机硬件架构中，操作系统的定位是：一个纯正的“搞管理”的软件。

2.1 如何理解管理

操作系统是一个进行着软硬件资源管理的软件。如何理解管理呢？ 管理就是做决策和做执行。 以校园背景为例：

校长 — 管理者 辅导员 — 保证决策落地 学生 — 被管理者

管理者和被管理者，并不需要见面。 学生和校长也不需要见面。 管理一个人的本质不在于对人做管理，而在于对人的信息（数据）做管理，管理者的核心工作是做决策，根据数据做决策。 就像校长想要开除一个学生，先要根据学生的挂科情况来选择开除谁，也就是根据学生的挂科信息来做决策，如果校长突然想要派一名同学参加程序设计大赛，也需要根据同学的学习成绩来做决策。

管理者在面对大量的被管理者的时候，数据量必然非常大，对人的管理实质是对数据的管理。 那么当数据量大的时候，校长要在怎么管理呢？ 因为实质是对信息的管理，为此要先描述，再组织。 对学生，我们要知道，学生的姓名、年级、基本信息、成绩信息、表现数据等等，这就是描述过程。

代码语言：javascript代码运行次数：0运行复制

struct student
{
	char name[10];
	int age;
	char level;
	char number[20];
	int height;
	//...
};

这样校长的决策工作就变成了对链表的增删查改，对学生的管理工作也变成了对链表的增删查改。这就是管理的建模过程。

面向对象的语言也是如此。 先描述的过程：就是面向对象的过程 —— class 、struct ；再组织的过程：数据结构 —— STL，如vector、list、stack、map等。 以后只要是进行管理，都要做以下两件事：先描述(class、struct)、再组织(STL容器，数据结构) -》将具体问题，进行计算机级别的建模过程，转换为计算机能够认识的问题。 - 数据结构的本质是对数据进行管理。

2.2 为什么要有操作系统

为了对软硬件进行更好的管理（手段） 对用户提供一个稳定、高效、安全的运行环境（目的）。

操作系统

系统调用和库函数概念

1. 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。
2. 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。

在还没有学习进程前，操作系统是怎么管理进行进行进程管理的呢？当然也是先把进程描述起来，再把进程组织起来。

本文参与 腾讯云自媒体同步曝光计划，分享自作者个人站点/博客。 原始发表：2024-09-05，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent 删除前往查看管理计算机内存数据操作系统

本文标签： 介绍冯诺依曼体系结构和操作系统