冯诺依曼体系结构、操作系统的认识

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前言

💭本文是对计算机底层学习的初步认识的知识铺垫，初步了解冯诺依曼体系结构和操作系统的概念和定义，为后续进程与地址空间系列学习打下基础。

1️⃣ 冯·诺依曼体系结构

1.1 基本概念

冯.诺依曼体系结构是当今计算机，如：笔记本、服务器，都遵守的一个体系结构。其总体结构如下图：

⭕我们重点关注其中的数据信号传输。即：我们要研究数据如何经过各类硬件传输和处理。

💭 平时我们使用计算机的时候，知道很多计算机的组成部分（包括外设和内部组件），例如：键盘、鼠标、显示器、磁盘、内存、网卡……而所有的这些，都包含在冯诺依曼体系中，他们各司其职，一起构成了我们的计算机。

• 输入设备、输出设备： 是计算机输入数据和输出数据的设备，通俗地理解，输入入的是电脑，输出出的是人。输入设备有：键盘、鼠标等；输出设备有：显示器、扬声器等。值得注意的是，磁盘和网卡既是输入设备又是输出设备。

• 存储器： 就是内存，有掉电易失的属性。

• 中央处理器： CPU，由主要的运算器、控制器和其他一些器件组成。

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1.2 存储器的作用

💭在冯.诺依曼体系结构，对于数据的读写，CPU的速度是最快的，而输入输出设备是最慢的，这会导致我们从输入设备传入数据到CPU处理，再从CPU传出已处理的数据到输出设备，这些过程之间的速度不匹配问题，降低了整机效率。虽然CPU的读写速度是最快的，但是倘若只有外设（如磁盘）这种效率极低的部件来与它进行数据交互，必然会拉低整机效率。

为了提高整机效率，冯.诺依曼体系引入了内存（存储器）的概念，完美地解决了这一难题！

📝如表中所示，内存的读写速度位于CPU与外设之间，它的出现适配了CPU与外设之间速度不匹配的问题。内存可以理解为一个大大的缓存空间，当有数据从输入设备传入时，不是直接传入CPU进行处理，而是传入内存再传入CPU。同理，从CPU中处理完的数据，也不是直接传输到输出设备，而是先经过内存再到输出设备。

在外设与内存之间进行数据交互的过程称为I/O
I：输入设备 → 内存
O：内存 → 输出设备

🌰举个栗子！

Q：我们常说程序运行要先加载到内存中，为什么呢？
A：程序的本质其实就是文件，是通过编译链接后生成的可执行文件(.exe)，而文件是存储在磁盘中的。要使得程序运行起来，CPU要读取二进制可执行程序文件，而磁盘是一个输入设备，由冯诺依曼体系结构决定，必须先将数据加载到内存中，才能让CPU读取到数据。这个过程实际就是将可执行文件加载到内存当中。

🔎延伸：磁盘是一个存储设备，它与内存的特性相反，具有永久性存储能力。平时我们电脑中的各种文件和数据，都是存储在磁盘当中的（关机的时候也是存在磁盘中，因为如果存储在内存中，由于掉电易失，关机了数据就全丢失了）。当我们开机的时候，各种软件的程序会从磁盘中加载到内存，方便我们使用，而不是等我们要用的时候再把软件的程序从磁盘中拿到内存。

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1.3 CPU的指令集

💭CPU在计算机中扮演着一个“打工人”的角色，而我们作为计算机的用户，就是CPU的“老板”，CPU只能听从我们的命令去执行对应的事。那么，我们要对下属下达命令，那他得能听懂我们说的话才能正确地执行吧？就好像一个日本老板，用日语给听不懂日语的下属指派了一个任务，老板确实完成了下达命令这项工作，但是由于下属无法识别命令本身，导致无法执行命令。同理，CPU也需要认识我们给它下达的命令。

🔎概念：所谓指令集，就是CPU中用来计算和控制计算机系统的一套指令的集合，而每一种CPU在设计时就规定了一系列与其他硬件电路相配合的指令系统。而指令集的先进与否，也关系到CPU的性能发挥，它也是CPU性能体现的一个重要标志。

• 通俗理解，指令集就是CPU能认识的语言，而程序运行之前编译的过程，就是将高级语言翻译为机器语言（包含一条条的指令），使得CPU能够看懂程序，这样才能运行。

• 从大类来分，一般将指令集分为精简指令集和复杂指令集。

参考内容：
【CPU指令集】CPU指令集是什么

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1.4 实例

假设张三要在他的电脑上用QQ给他的好朋友李四发送一个消息“Hello”，会经过怎样的数据流动过程呢？我们应该基于冯诺依曼体系结构来考虑。

💡这是发送消息的过程，那么发送文件呢？
其实大同小异，张三的输入设备变成磁盘，拉拽文件到聊天框中就是将文件传入QQ程序中，加密处理过程类似，发送过程也是一样的。而李四接收文件、处理文件的过程也是同上，只不过输出设备变成李四电脑的磁盘，文件传入磁盘中。

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🚀承上启下

冯诺依曼体系结构中，在数据层面，CPU不和外设直接交流，只和内存直接打交道，以达到提高整机效率的目的。那么，CPU和内存之间这个“打交道”的过程是由谁来做的呢？怎么做的呢？没错，那就是我们的操作系统了！当然，操作系统的作用远不止于此！

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2️⃣ 操作系统

2.1 概念

1. 概念：

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)。操作系统是一个进行软硬件资源管理的软件。笼统地理解，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）

2. 设计操作系统的目的：

• 对下，与硬件交互，管理所有的软硬件资源
• 对上，为用户程序（应用程序）提供一个良好的执行环境

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2.2 如何理解“管理”

理解操作系统的核心，就是理解它如何管理

以下只讨论操作系统对硬件的管理。

2.2.1 管理的本质

💭日常生活中存在很多管理的例子。例如，在学校中，校长是管理者（这里我们将学校体系简单化，视校长为唯一管理者），学生是被管理者。校长具有对学校内重大事项的决策能力，而他做出的决策都需要依据被管理者，也就是学生的数据。例如，评定奖学金时，校长就需要根据学生的综合成绩数据做出评定决策；又如某某学院的总体成绩下滑，校长就可根据这一数据，做出相应的决策。

因此我们得出结论，管理的本质就是对数据做管理。

💭数据如何获得呢？学校里学生很多，而且数据都是动态变化的，校长无法直接捕捉，于是，又有另外一种角色帮助校长完成这项工作——辅导员。每个学院都有自己的辅导员，他们是与自己学院的学生日常接触的角色，通过与学生接触获取学生的数据，并反馈给校长。从而完成了对学生数据的收集与管理。

而操作系统的管理体系就类似于上述例子学校的管理体系

⭕ 如图

驱动程序是用来操控硬件的逻辑方法的程序，每个硬件都由它特定的驱动程序操控。驱动程序主要干两件事：

1. 执行操作系统的指令，驱使硬件工作
2. 与被管理的硬件接触，获取相关数据，传输给操作系统

💡因此，操作系统便可通过驱动，获取底层硬件的数据，从而对硬件进行管理。

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2.2.2 管理的方法

💭有了被管理者的数据后，就要有对其进行管理（增删查改等操作）的方法。继续拿学校举例子，校长现在已经通过各个学院的辅导员获得了全校所有学生的信息，他想要进行一次奖学金评定，给全校综合成绩排名前十的学生发放奖学金，怎么实现？难道自己一个一个学生的成绩找吗？这样效率极低，就算完成了，如果下次是选出全校身高最高的十个人又是另外的找法。这种按数据管理的方法是不科学的，因为学生多、学生数据更多。

科学、高效的数据管理方法：因为每位学生的数据种类都是相同的，如：姓名、成绩、学号、班级、性别、籍贯等等，所以可以先将每位学生描述为一个带有多种属性的对象，然后再将所有对象组织起来，成为一个特定的结构，这样管理起来很方便，只需要对结构进行操作即可。从按数据管理转变为按对象管理。

⭕操作系统对数据的管理亦是如此，总结起来就是六个字：先描述，再组织

• 先描述：这是从语言层面上来说的，例如在C++中，便可将被管理对象描述为一个类，包含该对象的各种属性

class dev
{
private:
    // 硬件信息
    int type;
    int status;
    
    //...
    dev* next;
}
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• 再组织：这是从数据结构层面来说的，将被管理者对象有序地组合起来。操作系统内核通常都是用链表结构进行组织。

// 伪代码
//创建一个链表
list<dev> devList;

//插入磁盘节点
dev disk_dev;
devList.insert(disk_dev);

//插入键盘节点
dev keyboard_dev;
devList.insert(keyboard_dev);
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完成先描述再组织过程后，操作系统对硬件的管理变成了对硬件对象组成的数据结构的管理。例如，要删除对键盘的管理，只需要以键盘的某个特定属性为key值，在链表中找到keyboard_dev节点，删除该节点即可。

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2.3 系统调用

为了保障操作系统的安全性，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。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，有心的开发者对部分系统调用进行了适度封装（如printf、scanf），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Linux下，操作系统提供的接口一般都是C语言函数接口。

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总结

⭕综上所述，计算机大致的体系结构如图所示