目錄

馮諾依曼體系結構

操作系統是干什么的？

理解操作系統中的管理

對OS（操作系統）宏觀、整體的分析

總結

結語

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馮諾依曼體系結構

首先我們來看這樣一張圖，這就是大名鼎鼎的馮諾依曼體系

在日常生活中，所有的計算機都是遵循馮諾依曼體系結構的

其中這里面有很多都是我們日常生活中耳熟能詳的

比如輸入設備：鍵盤，麥克風攝像頭等等，輸出設備：顯示器，聲卡，網卡等等

還有像CPU和存儲器（其實就是內存），這些我們在日常生活中都是很常見的

同時，我們的數據也必須是在這個體系中流動的，比如你要敲鍵盤，然后數據要在顯示器中顯示出來，而數據流動的本質就是復制，所以這就要求馮諾依曼體系中的每一個結構都有一定的存儲能力：存儲器不必多說，CPU中有寄存器等等

但是，為什么要有存儲器呢？直接輸入設備鏈接CPU鏈接輸出設備不就好了嗎？

這時我們就需要引入一個概念了，叫做木桶效應，也就是說，計算機整體的效率是由最慢的那個決定的

而我們效率的主要矛盾是什么？CPU的計算速度非常快，這肯定不是主要矛盾，所以最關鍵的就是數據流動的速度，也就是數據復制的速度

同樣的，我們的CPU很快，但是輸入和輸出設備非常慢，所以導致我們的整體效率就被拖垮了，這也就是為什么我們需要一個內存作為中間橋梁的原因

因為內存中可以預先加載大量數據，CPU不必等數據全部從輸入設備中來了才去計算，只需要從內存中讀取即可，甚至還能在輸入設備傳輸數據給內存的同時，CPU直接計算好順帶將數據返回給內存順便給輸出設備，這樣我們的效率就提升了好幾個量級

而同時，馮諾依曼體系結構規定：

CPU之和內存打交道，不和外設打交道

外設的數據只會交給內存，然后再交給CPU處理，最后再給回內存

所以，我們以前學習的時候，可能很疑惑，為什么代碼一定要先加載到內存中才能跑起來

現在我們明白了，這時馮諾依曼體系結構要求這么干的，而我們的程序在沒有跑起來之前，被放在了磁盤，也就是外設，只有加載到內存里面了，才能交給CPU然后跑起來

最后我們來說一下，為什么馮諾依曼體系結構那么偉大

大家看到這里其實還是比較無感的，認為這就是一個普通的知識點，而這時我們又需要引入一個概念了，叫做存儲金字塔：

我們因為需要提升電腦的效率，所以有了存儲器

如果你是一個土豪，你當然可以直接用各種寄存器充當內存只為追求極致的效率

但是這樣的電腦，可能就需要成百上千萬，根本不是老百姓消費得起的

而內存，沒那么貴，但是卻能夠給我們老百姓提供一臺效率相對不錯的電腦，而老百姓買得起了，才會有那么多的網民，才能養活這么多的互聯網公司，才有了如今的互聯網時代，這也就是為什么說馮諾依曼體系結構是偉大的

最后舉一個例子來演示一下馮諾依曼體系現實中的樣子：

比如有兩個人此時在wechat上面想聊天，那么左邊的人，就需要通過鍵盤（輸入設備）輸入消息，然后消息加載到內存，通過CPU執行操作（比如說加密），最后傳輸給網卡（輸出設備），中間網卡之間消息互傳的部分，比如說tcp/ip這里就不講了，最后消息就給到了右邊的人

右邊的人拿網卡（這時是輸入設備）接收到了消息，然后消息加載到內存，交給CPU操作（比如說解密），最后給到右邊的人的顯示器（輸出設備）

至此，兩個人之間就能夠互傳消息了

操作系統是干什么的？

操作系統的作用就是：對系統中的軟硬件資源進行管理

我們來舉個例子（這張圖并不全，這里只講解硬件部分）：

外設，是有很多種類的，還有不同的廠商，都是完全不一樣的，所以我們的操作系統是不能直接對硬件進行管理的

比如說：市面上有很多游戲，現在廠商來了，說你要玩我這個游戲，你就自己去找資源，自己找地方買吧，這個時候，我們甚至可能買到盜版的，而這個過程是一個非常不好的體驗

而這時來了一個steam，他把游戲全部都管理起來，就對玩家說，要玩？來我這里買，里面的付款啊，下載安裝啊等等程序我都幫你處理好了，然后只給你提供對應的按鈕，你點擊就可以付款下載安裝了

而steam這個角色在我們今天這個情景里，就是中間紫色的驅動程序

所有的驅動程序都是廠商自己寫的，然后當我們硬件連接系統的時候自動安裝（比如有些鼠標，我們剛接上電腦的時候沒反應，過一小會聽見“噔”一下，然后右下角說什么驅動程序已安裝完畢）

而驅動程序都是文件，所以我們的操作系統只需要將這些文件管理好，就能將硬件管理好了

而這里我們只是以硬件為例子，而其他軟件也是殊途同歸

由此我們就能大概了解，為什么說OS（操作系統）是對軟硬件進行資源管理的了

理解操作系統中的管理

你，是一個校長，今天你需要管理你學校里的學生

但是你并不需要直接和每一個學生都見面，你只需要得知每一個同學的數據，就能管理起來了

而你在當校長之前，你還是一個寫c語言的程序員，你就想到，可以用struct創建一個學生類型，只要將學生的數據填進去即可

如果要管理起來，就在struct stu里面加上一個指向同樣類型的指針，把每一個類型都連接起來，形成一個單鏈表

這樣，我們對學生的管理就變成了對這個單鏈表的增刪查改

比如今天我要找績點最高的同學，好好表揚一下，那就是在這個鏈表中找到績點那個數據最大的那個對應的同學，如果有個同學犯事了，要開除，那也就是把對應節點刪掉而已

所以，管理的本質就是，先描述，再組織

接下來我們再回到我們最開始講的OS與硬件和驅動程序之間的關系

我們的硬件自帶了驅動程序，而我們的OS就是校長，將所有的驅動程序當成對應的類，填充對應的數據，就能夠用數據結構管理起來，所以對硬件本身的管理，就轉變成了對特定數據結構的增刪查改，也就是先描述再組織

對OS（操作系統）宏觀、整體的分析

現在再來看這張圖，其實就親切很多了

OS，對下要管理好各種硬件，對上，要給用戶提供各種接口，管理好各種軟件

總的目的就是：為用戶提供一個良好、穩定、安全、高效的系統

對下我們前文講過了，就是通過對硬件提供的驅動程序，進行先描述再組織，從而將硬件的管理轉換成對特定數據結構的增刪查改，從而管理硬件

對上我們現在來講

首先，我們用戶是不能直接管理硬件的，也不能進入操作系統內部

試想一下，銀行會允許用戶直接走到倉庫里面存錢，然后自己輸入存了多少錢嗎？當然不會。同樣的，萬一用戶操作不當，把OS搞fei了，那不就完damn了嘛

所以對上，OS會提供很多的接口給用戶使用，也就是上圖中的（system call）系統調用接口

對應的例子可以是銀行前臺的各種窗口：

你把錢和信息給對應的工作人員，讓他們通過這些窗口幫你處理各種業務即可

但是銀行中可能還有一些老大爺老大媽，他們甚至都不認識字，所以銀行中就有比如客戶經理，你不會寫字我幫你寫，資料什么的我幫你處理好轉接，這也就是最上面的用戶操作接口

而在過去，我們所有人都是老大爺老大媽，因為用戶操作接口中有一個叫做 lib，也就是庫函數

我們之前敲代碼用的stdio.h就是這里面的東西

總結

馮諾依曼體系結構是計算機中約定俗成的一種結構，其中，輸入輸出設備都會直接也只會和內存進行聯系，而CPU也是只會和內存進行聯系，因為內存可以預先加載大量數據，從而提升計算機的整體效率（因為計算機效率的主要矛盾點就是數據的復制）

到了操作系統章節，操作系統可以用結構體將所要管理的東西描述起來，可能是驅動文件，可能是后面要講到的進程等等，接著再用對應的數據結構管理起來，將對對應對象的管理轉變成對對應數據結構的管理

而操作系統通過這些管理，最終達成對下管理好各種硬件，對上能為用戶提供各種調用接口并管理好各種軟件，最終為用戶提供一個良好、穩定、安全、高效的操作系統

結語

這篇文章到這里就結束啦！！~(￣▽￣)~*

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