冯诺伊曼体系结构和操作系统

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👉🏻一、冯诺依曼体系结构

概念

冯·诺依曼体系（von Neumann architecture）是一种计算机硬件结构，由数学家冯·诺依曼于20世纪40年代提出。这种体系结构被广泛应用于现代计算机的设计中，并成为了现代计算机体系结构的基础。

以下是对冯·诺依曼体系的简要说明及图解：

1. 冯·诺依曼体系的组成部分包括：

   • 中央处理器（Central Processing Unit, CPU）：负责执行指令和控制计算机的操作。
   • 存储器（Memory）,也就是内存：用于存储指令和数据。
   • 输入设备（Input Devices）：用于向计算机输入数据。
   • 输出设备（Output Devices）：用于从计算机输出结果。

2. 冯·诺依曼体系的主要特点：

   • 存储程序：指令和数据都以二进制形式存储在存储器中，共享同一地址空间。
   • 顺序执行：指令按照顺序从存储器中取出并执行，每次执行一条指令。
   • 单一总线结构：CPU、存储器和输入/输出设备通过共享的数据总线进行通信。
   • 存储器访问控制：指令和数据可以根据地址直接访问存储器中的特定位置。
   • 存储器随机访问：可以通过地址直接访问存储器中的任意位置。

下面是一个简单的图示，展示了冯·诺依曼体系的基本结构：

常见的输入设备和输出设备

常见的输入设备包括：

1. 键盘：用于输入文本、命令和其他字符。
2. 鼠标：用于控制光标和选择操作。
3. 触摸板：类似于鼠标，通过手指触摸来进行操作。
4. 触摸屏：可以直接通过手指或者触控笔在屏幕上进行输入操作。
5. 扫描仪：用于将纸质文件、照片等转换为数字格式。
6. 数字相机：可以将照片和视频传输到计算机。
7. 麦克风：用于录制声音或进行语音输入。
8. 游戏控制器：用于玩游戏，并提供操纵手柄和按键功能。
9. 传感器：例如指纹识别器，用于获取生物特征信息。

常见的输出设备包括：

1. 显示器：用于显示图像、文本和视频。
2. 打印机：用于打印文件、图片和其他图形。
3. 音频耳机/扬声器：用于播放声音和音乐。
4. 投影仪：将计算机屏幕上的内容投射到大屏幕上显示。
5. 照相机/摄像机：用于拍摄照片和视频。
6. 绘图板：类似于电子画板，用于绘制图像和图表。
7. 振动反馈设备：通过震动提供触感反馈，如游戏手柄的震动反馈等。

磁盘——输入设备or输出设备？ 🤔
实际上，磁盘（硬盘、固态硬盘等）通常被认为是一种存储设备，而不是严格意义上的输入设备或输出设备。磁盘可以用于存储数据，并在需要时从中读取数据，这使得它既可以作为输入设备（读取数据）又可以作为输出设备（存储数据）。然而，磁盘并不直接与用户进行交互，而是通过其他输入设备（如键盘、鼠标）和输出设备（如显示器、打印机）来实现与用户的数据交换。

具体来说，当将数据保存到磁盘时，磁盘被视为一个输出设备。例如，当我们将文件保存到硬盘上时，硬盘就是一个输出目标，数据从计算机的内存传输到磁盘存储器中。

而当从磁盘中读取数据时，磁盘被视为一个输入设备。例如，当我们打开一个文件或加载一个程序时，数据从硬盘中读取到计算机的内存中，以供进一步处理。

总结来说，磁盘在计算机系统中扮演了存储设备的角色，并且可以用作输入设备（读取数据）和输出设备（存储数据），但它并不直接参与用户与计算机之间的交互，需要通过其他输入和输出设备来完成数据的输入和输出。

内存存在的意义

我们都知道，cpu是非常快的，那么输入数据的时候，为什么不直接将输入到外设的数据直接输送给cpu，而要先于内存打交道呢？
这里涉及到了木桶效应：

是啊，cpu你很快，但是数据输入的太慢了，你再快，不也得等我把数据输入你才能开始处理吗，
就像是我原本一分钟能干100份的工作，但你只给了我一份，这就使得无法发挥出cpu的全部实力。

所以内存由此诞生，先将数据存储到内存当中，cpu从内存里面拿数据，内存的速度虽不如cpu，但存储数据传输给cpu是够了。
总而言之，我们需要记住的是：

• 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)要输入或者输出数据，也只能写入内存或者从内存中读取

👉🏻二、操作系统

概念

操作系统是一种软件，它是计算机系统中最基本的系统软件之一。它负责管理和控制计算机硬件资源，并提供给用户和应用程序一个简化和统一的界面来访问计算机系统。

操作系统有以下几个主要功能：

1. 资源管理：操作系统负责管理计算机的各种硬件资源，包括处理器（CPU）、内存、硬盘、输入输出设备等。它分配和回收这些资源，以满足不同程序和用户的需求，并确保它们能够高效地共享和协调使用。

2. 进程管理：操作系统通过进程管理来控制和协调程序的执行。它负责创建、调度、暂停、恢复和终止进程。每个进程都拥有自己的运行环境，包括内存空间、CPU时间片和打开的文件等。操作系统通过调度算法来决定哪个进程在某一时刻运行，并提供进程间通信机制。

3. 内存管理：操作系统管理计算机的内存资源。它负责分配和回收内存空间，将进程和数据加载到内存中，以及进行内存的地址映射和保护。操作系统还通过虚拟内存技术扩展了可用内存的大小，允许大型程序运行在有限的物理内存上。

4. 文件系统管理：操作系统负责管理计算机上的文件和目录。它提供了对文件的创建、读取、写入和删除等操作，并维护文件的组织结构和访问权限。文件系统还处理存储介质上的物理块分配和存储空间的管理，确保文件数据的安全性和完整性。

5. 用户界面：操作系统提供给用户和应用程序一个界面来与计算机系统进行交互。它可以是命令行界面（如DOS），图形用户界面（如Windows、macOS）或基于Web的界面。用户通过输入设备（如键盘、鼠标）和输出设备（如显示器、打印机）与操作系统进行通信。

总体而言，操作系统是计算机系统中的核心软件，它管理和控制计算机的硬件资源，为用户和应用程序提供了一个友好、高效的环境来执行各种任务和操作。不同的操作系统有不同的设计和特点，例如Windows、macOS、Linux等。

操作系统如何管理

我们知道了，操作系统是对硬件资源进行管理，但是操作系统是直接与硬件打交道吗？

实际上不是，在上面的图中，我们看到，操作系统和硬件之间存在一个硬件驱动，这是什么呢。
说的言简意赅的就是，操作系统发布指令给硬件驱动，而后硬件驱动，顾名思义，就去驱动对应的硬件，
举个简单的例子，我们买了一个酷炫的游戏鼠标，我们想让其颜色变的花里胡哨的，我们就会去下一个鼠标驱动的软件，
而此时，操作系统通过这个鼠标驱动的软件与鼠标就建立起了联系。

而我们给鼠标换颜色的过程可以表示为：

用户在系统调用接口（图形化界面/shell外壳等）发送请求->操作系统调用接口接收到请求->操作系统根据请求发送指令给硬件驱动->硬件被驱动（变化颜色）

🌈这里我们就总结一下管理的本质：

• 管理者和被管理者是不需要直接沟通的
• 管理的本质是对被管理对象的数据做管理
• 管理的方法是先描述，再组织

☀️在整个计算机软硬件架构中，操作系统的定位是：一款纯正的“搞管理”的软件

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