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1. 馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)

1. 馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)的介紹

馮.諾依曼結(jié)構(gòu)消除了原始計算機體系中，只能依靠硬件控制程序的狀況（程序作為控制器的一部分，作為硬件存在），將程序編碼存儲在存儲器中，實現(xiàn)了可編程的計算機功能，實現(xiàn)了硬件設計和程序設計的分離，大大促進了計算機的發(fā)展。所以我們現(xiàn)在常用的計算機大多遵循馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)。

2. 理解馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)

（1）現(xiàn)在計算機由五大基本硬件組成：

存儲器：就是內(nèi)存

輸入設備：鍵盤、攝像頭、話筒、磁盤、網(wǎng)卡和鼠標等

輸出設備：顯示器、播放器、磁盤、網(wǎng)卡等

運算器：對我們輸入的數(shù)據(jù)進行運算（算術(shù)運算和邏輯運算）

控制器：讀取內(nèi)存中的指令，翻譯解析后向有關硬件發(fā)送控制命令

注意
a. 外設是輸入設備和輸出設備，CPU包括運算器和控制器。
b. 有的設備是純輸入，有的設備是純輸出，有的則是既輸入又輸出，例如磁盤和網(wǎng)卡。
c. U盤和磁盤是外存（用來存放內(nèi)存暫時用不著的程序和數(shù)據(jù)）。
d. 不考慮緩存情況，這里的CPU能且只能對內(nèi)存進行讀寫，不能訪問外設；外設要輸入或者輸出數(shù)據(jù)，也只能寫入內(nèi)存或者從內(nèi)存中讀取。所有設備都只能直接和內(nèi)存打交道。

問題1
為什么要有內(nèi)存？CPU不能直接從外設進行讀取，再輸出到外設嗎？
a. 從存儲的結(jié)構(gòu)就可以知道，外設離CPU遠，輸出設備和輸入設備與CPU的速度差距太大，當輸入設備還在慢吞吞輸入數(shù)據(jù)時，CPU早將數(shù)據(jù)處理輸出到輸出設備，輸出設備再慢吞吞輸出數(shù)據(jù)，CPU有太多空閑，嚴重拖累了計算機的執(zhí)行速度。
b. 內(nèi)存的速度不也比CPU慢，為什么還要鏈接內(nèi)存？內(nèi)存的速度確實慢于CPU，但兩者間的速度差距遠小于外設與CPU的速度差距。也就是說內(nèi)存容量適中、速度適中，是最優(yōu)解。
c. 內(nèi)存具有預加載的功能，會預先將輸入設備的數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存，且當CPU在運算時，內(nèi)存也會不斷地存儲數(shù)據(jù)。這樣CPU就會不斷地從內(nèi)存中讀取和輸出數(shù)據(jù)，提高了計算機的執(zhí)行速度。此時的內(nèi)存就是硬件級別的緩存空間。

下面是計算機的存儲金字塔。

問題2
一個程序要運行，必須先加載到內(nèi)存。為什么？
簡單回答
因為馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)規(guī)定。
詳細回答
因為CPU只能從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)，不能直接從外設中讀取數(shù)據(jù)。

（2）上面五大設備都是獨立個體，各個硬件單元必須用“線”鏈接起來，這個線就是系統(tǒng)總線和IO總線。CPU與內(nèi)存之間的是系統(tǒng)總線，內(nèi)存與外設之間的是IO總線。

（3）場景
請解釋，從登錄上qq開始和某位朋友聊天開始，數(shù)據(jù)的流動過程。


如果我想要傳一個文件（比如文檔）給我的朋友，請畫出數(shù)據(jù)流動的過程。

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2. 操作系統(tǒng)

由馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)，我們可以知道計算機有很多硬件，這些硬件各有各的功能。這些功能什么時候執(zhí)行，誰先執(zhí)行，就需要一個邏輯來管理，所以就有了操作系統(tǒng)。

1. 什么是操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)是一組主管并控制計算機操作、運用和運行硬件、軟件資源和提供公共服務來組織用戶交互的相互關聯(lián)的系統(tǒng)軟件程序。
簡單講，操作系統(tǒng)是一款進行管理（硬件和軟件）的軟件。

操作系統(tǒng)包括內(nèi)核（進程管理、內(nèi)存管理、文件管理、驅(qū)動管理）和其他程序（例如函數(shù)庫，shell程序等等）。

2. 為什么要有操作系統(tǒng)

（1）操作系統(tǒng)幫助用戶管理好下面的軟硬件資源（驅(qū)動和底層硬件）。
（2）為了給用戶提供良好（穩(wěn)定、高效、安全）的運行環(huán)境。
注意
這里的用戶是程序員，而不是普通用戶。因為普通用戶不是直接使用操作系統(tǒng)，而是使用程序員開發(fā)出來的軟件。只要保證良好的運行環(huán)境，程序員才能為普通用戶創(chuàng)建更多的軟件。

3. 用戶可以直接訪問操作系統(tǒng)嗎

操作系統(tǒng)是軟件，有大量數(shù)據(jù)，但用戶不能直接訪問操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)不相信任何用戶?？墒遣僮飨到y(tǒng)又要為用戶提供各種服務，所以操作系統(tǒng)就得提供接口讓用戶訪問內(nèi)部數(shù)據(jù)。這是怎么做到的？

操作系統(tǒng)為了保證自己的數(shù)據(jù)安全，又為了保證給用戶提供服務，操作系統(tǒng)以接口的方式給用戶提供調(diào)用的入口，來獲取操作系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)。

拓展
操作系統(tǒng)是用C語言寫的，接口就是操作系統(tǒng)提供的、用C實現(xiàn)的函數(shù)調(diào)用，這就是系統(tǒng)調(diào)用。
總結(jié)
所有訪問操作系統(tǒng)的行為，都只能通過系統(tǒng)調(diào)用完成。

計算機的層狀結(jié)構(gòu)

4. 操作系統(tǒng)是如何進行管理底層的軟硬件資源？

（1）操作系統(tǒng)不直接訪問底層的硬件，而是通過驅(qū)動程序進行管理的。
（2）操作系統(tǒng)是管理者，而硬件是被管理者。只要有被管理者的信息，就能對被管理者做管理。就像在大學，校長是管理者，而學生則是被管理者，校長不需要見學生就能對學生進行管理，他是通過學生的學號等各種信息進行管理的。同樣，操作系統(tǒng)是對硬件的各種信息管理。

所以管理的本質(zhì)是通過對數(shù)據(jù)的管理，而不是對人（硬件）的管理。
（3）操作系統(tǒng)中是有大量的數(shù)據(jù)，要如何對每份數(shù)據(jù)都進行管理？比如在大學中，要在整個年級中找出幾名學生、新轉(zhuǎn)學幾名學生、退學幾名學生，我們可以將每個學生描述成一個結(jié)構(gòu)體，這個結(jié)構(gòu)體中有學生的各種信息（如姓名，性別，學號，成績等），然后用一個鏈表把每個結(jié)構(gòu)體鏈接起來。這樣，成功地將學生的管理工作轉(zhuǎn)換成對鏈表的增刪查改。

所以我們可以將底層設備構(gòu)建成結(jié)構(gòu)體（先描述），再用鏈表和其他數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)鏈接起來（再組織）。

（4）操作系統(tǒng)中，管理任何對象最終都可以轉(zhuǎn)化成對某種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的增刪查改。
（5）最終答案：先描述，再組織。