馮諾依曼體系結構

引入

馮·諾依曼體系結構（von Neumann architecture）是現(xiàn)代計算機體系結構的基礎，也是目前廣泛應用的計算機體系結構之一。它是由物理學家、數(shù)學家馮·諾依曼在1945年提出的，被認為是現(xiàn)代計算機的奠基之作。馮·諾依曼體系結構具有存儲程序和通用性的特點，這意味著計算機的指令和數(shù)據(jù)都可以存儲在同一個存儲器中，而不需要使用不同的存儲器進行分離。這種體系結構的發(fā)明和普及，極大地推動了計算機科學的發(fā)展，并為計算機技術的應用提供了堅實的基礎。在本文中，我們將詳細介紹馮·諾依曼體系結構的原理、特點和應用，為讀者對計算機體系結構的了解提供幫助。

1、馮諾依曼體系結構

這里的存儲器是誰？—>內(nèi)存：掉電易失 而磁盤—>外存—>具有永久性存儲能力

CPU=運算器+控制器+其它；CPU在讀取與寫入時，在數(shù)據(jù)層面，只和內(nèi)存打交道！——提高整機效率

CPU其實很笨，只能被動的接受別人的指令、別人的數(shù)據(jù)—>執(zhí)行別人的指令，計算別人的數(shù)據(jù)

接受指令？CPU必須先能識別指令—>CPU有自己的指令集

指令集：精簡指令集&&復雜指令集

我們些的代碼，編譯的本質(zhì)是？——形成二進制可執(zhí)行程序—>CPU計算

Q：程序要運行必須加載到內(nèi)存？為什么要加載？

A：CPU要執(zhí)行程序、訪問數(shù)據(jù)，只能從內(nèi)存中讀取（體系結構規(guī)定！）

總結：

1、CPU不和外設直接打交道，和內(nèi)存直接打交道

2、所有的外設，有數(shù)據(jù)需要載入，只能載入到內(nèi)存中，內(nèi)存寫出，也一定是寫到外設中

1.1 內(nèi)存

內(nèi)存用來適配外設和CPU速度不均的問題！

CPU運算速度>高速緩存（Cache） > 內(nèi)存 > 固態(tài)硬盤

可以用水桶效應來形象理解，當CPU速度過快而存儲能力跟不上時，就會出現(xiàn)瓶頸；因此，在設計計算機系統(tǒng)時需要平衡CPU和存儲器讀取速度，內(nèi)存即是用于解決外設和CPU速度匹配問題！

1.2 操作系統(tǒng)預加載

操作系統(tǒng)預加載（OS preloading）是指在系統(tǒng)啟動或者應用程序運行之前，將某些關鍵資源或者數(shù)據(jù)提前加載到內(nèi)存中，以加快系統(tǒng)的啟動速度或者應用程序的響應速度！

2、操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)是一個進行軟硬件資源管理的軟件

為什么需要管理？—>通過合理的管理軟硬件資源（對下），為用戶提高良好的、穩(wěn)點的、高效的、安全的執(zhí)行環(huán)境（對上）

2.1 理解管理

我們設想一個場景：校長作為學校的管理者，學生作為被管理者，是被校長直接管理的嗎？顯然不是，校長甚至從未見過我們，那他是如何對我們進行管理的呢？學生的所有數(shù)據(jù)，早已被校方所掌握，且一直在更新！

對管理者的理解：管理者不需要和被管理者直接交互，依舊能夠把被管理對線管理起來！

所謂管理者，即是對重大事宜具有決策的權力

由此可知，管理的本質(zhì)是對數(shù)據(jù)做管理！

驅(qū)動程序本質(zhì)上是軟件代碼，主要作用是計算機系統(tǒng)與硬件設備之間完成數(shù)據(jù)傳送的功能，只有借助驅(qū)動程序，兩者才能通信并完成特定的功能。 如果一個硬件設備沒有驅(qū)動程序，只有操作系統(tǒng)是不能發(fā)揮特有功能的，也就是說驅(qū)動程序是介于操作系統(tǒng)與硬件之間的媒介，實現(xiàn)雙向的傳達，即將硬件設備本身具有的功能傳達給操作系統(tǒng)，同時也將操作系統(tǒng)的標準指令傳達給硬件設備，從而實現(xiàn)兩者的無縫連接

1、操作系統(tǒng)通過對數(shù)據(jù)做管理，來進行對被管理者進行管理

2、數(shù)據(jù)的采集和決策的執(zhí)行有驅(qū)動完成

那么管理者是如何能一直拿到數(shù)據(jù)呢？

此時，對學生數(shù)據(jù)做管理，即是對鏈表做管理！

以上過程，是對被管理對象進行建模的過程！

👉 所有的管理，本質(zhì)邏輯都是：先描述，再組織；采用面向?qū)ο?/strong>進行描述，用數(shù)據(jù)結構的知識進行組織！

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總結：

1、管理的本質(zhì)：對數(shù)據(jù)做管理

2、管理的方法：先描述，再組織

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2.2 系統(tǒng)調(diào)用接口

在現(xiàn)實中，假如我們需要去銀行辦理存錢、取錢等業(yè)務，進入銀行后有大堂經(jīng)理組織我們，到柜臺有柜員為我們辦理操作，此服務方式我們稱之為接口式服務，對于計算機亦是如此：

人能管理硬件，人也可以管理人；軟件能管理硬件，軟件也可以管理軟件！

操作系統(tǒng)接口為何存在？

操作系統(tǒng)為了保護自己（操作系統(tǒng)不信任任何人！），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；

2.3 操作系統(tǒng)四大基本功能

1. 進程管理：操作系統(tǒng)通過進程管理來協(xié)調(diào)和控制系統(tǒng)中運行的進程。它負責分配和管理系統(tǒng)資源，如內(nèi)存、CPU時間、輸入輸出設備等，以保證系統(tǒng)中每個進程的正常運行和相互協(xié)作。
2. 存儲管理：操作系統(tǒng)的存儲管理功能包括內(nèi)存管理和外存管理。內(nèi)存管理負責將物理內(nèi)存分配給進程，并對其進行管理，以確保每個進程都有足夠的內(nèi)存可用。外存管理則負責管理磁盤等外部存儲器，以提供更大的存儲空間。
3. 文件管理：操作系統(tǒng)的文件管理功能負責管理和控制系統(tǒng)中的文件和目錄。它提供了對文件系統(tǒng)的訪問接口，并提供了文件的創(chuàng)建、打開、讀取、寫入、刪除等操作，以及目錄的創(chuàng)建、重命名、刪除等操作。
   提供更大的存儲空間。
4. 文件管理：操作系統(tǒng)的文件管理功能負責管理和控制系統(tǒng)中的文件和目錄。它提供了對文件系統(tǒng)的訪問接口，并提供了文件的創(chuàng)建、打開、讀取、寫入、刪除等操作，以及目錄的創(chuàng)建、重命名、刪除等操作。
5. 驅(qū)動管理：操作系統(tǒng)的驅(qū)動管理功能負責管理和控制系統(tǒng)中的各種設備驅(qū)動程序。它使操作系統(tǒng)能夠與硬件設備進行交互和通信，并為應用程序提供訪問硬件的接口。操作系統(tǒng)必須識別并正確管理系統(tǒng)中所有的硬件設備，以便應用程序能夠使用它。