冯诺依曼体系结构

冯诺依曼体系结构

引入

冯·诺依曼体系结构（von Neumann architecture）是现代计算机体系结构的基础，也是目前广泛应用的计算机体系结构之一。它是由物理学家、数学家冯·诺依曼在1945年提出的，被认为是现代计算机的奠基之作。冯·诺依曼体系结构具有存储程序和通用性的特点，这意味着计算机的指令和数据都可以存储在同一个存储器中，而不需要使用不同的存储器进行分离。这种体系结构的发明和普及，极大地推动了计算机科学的发展，并为计算机技术的应用提供了坚实的基础。在本文中，我们将详细介绍冯·诺依曼体系结构的原理、特点和应用，为读者对计算机体系结构的了解提供帮助。

1、冯诺依曼体系结构

这里的存储器是谁？—>内存：掉电易失 而磁盘—>外存—>具有永久性存储能力

CPU=运算器+控制器+其它；CPU在读取与写入时，在数据层面，只和内存打交道！——提高整机效率

CPU其实很笨，只能被动的接受别人的指令、别人的数据—>执行别人的指令，计算别人的数据

接受指令？CPU必须先能识别指令—>CPU有自己的指令集

指令集：精简指令集&&复杂指令集

我们些的代码，编译的本质是？——形成二进制可执行程序—>CPU计算

Q：程序要运行必须加载到内存？为什么要加载？

A：CPU要执行程序、访问数据，只能从内存中读取（体系结构规定！）

总结：

1、CPU不和外设直接打交道，和内存直接打交道

2、所有的外设，有数据需要载入，只能载入到内存中，内存写出，也一定是写到外设中

1.1 内存

内存用来适配外设和CPU速度不均的问题！

CPU运算速度>高速缓存（Cache） > 内存 > 固态硬盘

可以用水桶效应来形象理解，当CPU速度过快而存储能力跟不上时，就会出现瓶颈；因此，在设计计算机系统时需要平衡CPU和存储器读取速度，内存即是用于解决外设和CPU速度匹配问题！

1.2 操作系统预加载

操作系统预加载（OS preloading）是指在系统启动或者应用程序运行之前，将某些关键资源或者数据提前加载到内存中，以加快系统的启动速度或者应用程序的响应速度！

2、操作系统

操作系统是一个进行软硬件资源管理的软件

为什么需要管理？—>通过合理的管理软硬件资源（对下），为用户提高良好的、稳点的、高效的、安全的执行环境（对上）

2.1 理解管理

我们设想一个场景：校长作为学校的管理者，学生作为被管理者，是被校长直接管理的吗？显然不是，校长甚至从未见过我们，那他是如何对我们进行管理的呢？学生的所有数据，早已被校方所掌握，且一直在更新！

对管理者的理解：管理者不需要和被管理者直接交互，依旧能够把被管理对线管理起来！

所谓管理者，即是对重大事宜具有决策的权力

由此可知，管理的本质是对数据做管理！

驱动程序本质上是软件代码，主要作用是计算机系统与硬件设备之间完成数据传送的功能，只有借助驱动程序，两者才能通信并完成特定的功能。 如果一个硬件设备没有驱动程序，只有操作系统是不能发挥特有功能的，也就是说驱动程序是介于操作系统与硬件之间的媒介，实现双向的传达，即将硬件设备本身具有的功能传达给操作系统，同时也将操作系统的标准指令传达给硬件设备，从而实现两者的无缝连接

1、操作系统通过对数据做管理，来进行对被管理者进行管理

2、数据的采集和决策的执行有驱动完成

那么管理者是如何能一直拿到数据呢？

此时，对学生数据做管理，即是对链表做管理！

以上过程，是对被管理对象进行建模的过程！

👉 所有的管理，本质逻辑都是：先描述，再组织；采用面向对象进行描述，用数据结构的知识进行组织！

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总结：

1、管理的本质：对数据做管理

2、管理的方法：先描述，再组织

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2.2 系统调用接口

在现实中，假如我们需要去银行办理存钱、取钱等业务，进入银行后有大堂经理组织我们，到柜台有柜员为我们办理操作，此服务方式我们称之为接口式服务，对于计算机亦是如此：

人能管理硬件，人也可以管理人；软件能管理硬件，软件也可以管理软件！

操作系统接口为何存在？

操作系统为了保护自己（操作系统不信任任何人！），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；

2.3 操作系统四大基本功能

1. 进程管理：操作系统通过进程管理来协调和控制系统中运行的进程。它负责分配和管理系统资源，如内存、CPU时间、输入输出设备等，以保证系统中每个进程的正常运行和相互协作。
2. 存储管理：操作系统的存储管理功能包括内存管理和外存管理。内存管理负责将物理内存分配给进程，并对其进行管理，以确保每个进程都有足够的内存可用。外存管理则负责管理磁盘等外部存储器，以提供更大的存储空间。
3. 文件管理：操作系统的文件管理功能负责管理和控制系统中的文件和目录。它提供了对文件系统的访问接口，并提供了文件的创建、打开、读取、写入、删除等操作，以及目录的创建、重命名、删除等操作。
   提供更大的存储空间。
4. 文件管理：操作系统的文件管理功能负责管理和控制系统中的文件和目录。它提供了对文件系统的访问接口，并提供了文件的创建、打开、读取、写入、删除等操作，以及目录的创建、重命名、删除等操作。
5. 驱动管理：操作系统的驱动管理功能负责管理和控制系统中的各种设备驱动程序。它使操作系统能够与硬件设备进行交互和通信，并为应用程序提供访问硬件的接口。操作系统必须识别并正确管理系统中所有的硬件设备，以便应用程序能够使用它。