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📙 作者簡介 ：RO-BERRY
📗 學習方向：致力于C、C++、數據結構、TCP/IP、數據庫等等一系列知識
📒 日后方向 : 偏向于CPP開發以及大數據方向，歡迎各位關注，謝謝各位的支持

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1.馮·諾依曼體系結構

馮·諾依曼體系結構，也被稱為普林斯頓結構，是一種將程序指令存儲器和數據存儲器合并在一起的存儲器結構。在這種結構中，程序指令和數據在內存中是沒有區別的，它們都是內存中的數據。當EIP指針指向哪CPU就加載那段內存中的數據，如果是不正確的指令格式，CPU就會發生錯誤中斷。在現在CPU的保護模式中，每個內存段都有其描述符，這個描述符記錄著這個內存段的訪問權限（可讀，可寫，可執行）。這就變相的指定了哪些內存中存儲的是指令哪些是數據。指令和數據都可以送到運算器進行運算，即由指令組成的程序是可以修改的。

特點

馮·諾依曼體系結構還包括以下特點：

1. 存儲器是按地址訪問的線性編址的一維結構，每個單元的位數是固定的。
2. 指令由操作碼和地址組成。操作碼指明本指令的操作類型，地址碼指明操作數和地址。操作數本身無數據類型的標志，它的數據類型由操作碼確定。
3. 通過執行指令直接發出控制信號控制計算機的操作。指令在存儲器中按其執行順序存放，由指令計數器指明要執行的指令所在的單元地址。指令計數器只有一個，一般按順序遞增，但執行順序可按運算結果或當時的外界條件而改變。
4. 以運算器為中心，I/O設備與存儲器間的數據傳送都要經過運算器。
5. 數據以二進制表示。馮·諾依曼提出的計算機制造的三個基本原則，即采用二進制邏輯、程序存儲執行以及計算機由五個部分組成（運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備），這套理論被稱為馮·諾依曼體系結構。

組成剖析

cpu：運算器&&控制器
輸入設備：話筒、攝像頭、鍵盤、鼠標、磁盤等
輸出設備：聲卡、顯卡網卡、磁盤、顯示器、打印機等
存儲器：內存—掉電易失

手機制造商們把CPU、內存、網絡通信，乃至攝像頭芯片，都封裝到一個芯片，然后再嵌入到手機主板上，即SoC，System on a Chip（系統芯片）。但無論是PC/服務器/手機都遵循馮·諾依曼體系結構（Von Neumann architecture），也叫存儲程序計算機，意味著“可編程”、“存儲”計算機。

計算機由各種門電路組成完成計算程序。一旦需要修改功能，就要重新組裝電路。這樣的話，計算機就是“不可編程”的，因為程序在計算機硬件層面是“寫死”的。最常見的就是老式計算器，電路板設好了加減乘除，做不了任何計算邏輯固定之外的事情。

再看“存儲”計算機。程序存儲在計算機內存，可通過加載不同程序解決不同問題。

不能存儲程序的計算機
早年“Plugboard”這種插線板計算機，在板子上不同的插頭或者接口的位置插入線路實現不同功能。這樣的計算機“可編程”，但編寫好的程序不能存儲下來供下一次加載使用，不得不每次要用到和當前不同的“程序”的時候，重新插板子，重新“編程”。

為了效率，有了“存儲程序計算機”。馮基于在秘密開發的EDVAC寫了一篇報告First Draft of a Report on the EDVAC，描述了一臺計算機什么樣。

1. 包含處理器單元（Processing Unit）：

算術邏輯單元（Arithmetic Logic Unit，ALU）
處理器寄存器（Processor Register）
完成各種算術和邏輯運算。

因為它能夠完成各種數據的處理或者計算工作，因此也有人把這個叫作數據通路（Datapath）或者運算器。

2. 包含控制器單元（Control Unit/CU）：

指令寄存器（Instruction Reigster）
程序計數器（Program Counter）
控制程序的流程，通常就是不同條件下的分支和跳轉。
算術邏輯單元和控制器單元組成CPU。

關于馮諾依曼，必須強調幾點：

這里的存儲器指的是內存
不考慮緩存情況，這里的CPU能且只能對內存進行讀寫，不能訪問外設(輸入或輸出設備)
外設(輸入或輸出設備)要輸入或者輸出數據，也只能寫入內存或者從內存中讀取。
一句話，所有設備都只能直接和內存打交道

為什么要有內存？

內存，也稱為內存儲器，是計算機系統中用于暫時存放CPU中的運算數據以及與硬盤等外部存儲器交換的數據的硬件組件。內存的存在主要有以下幾個原因：

1. 速度匹配：CPU的速度非常快，通常以GHz為單位，而硬盤的傳輸速度相對較慢，通常不到200MB/s。內存的速度介于CPU緩存和硬盤之間，能夠快速地與CPU交換數據，從而提高系統的整體性能。
2. 容量擴展：CPU的緩存空間有限，無法存儲大量的數據。內存提供了更大的存儲容量，使得操作系統和應用程序能夠臨時存儲更多的數據，以便快速地與CPU交換，從而提高系統的運行效率。
3. 數據管理：內存中存儲的數據包括程序的全局變量、局部變量等，這些數據對程序的運行至關重要。內存管理是編程中的一個重要話題，它涉及到數據的組織、存儲和處理，對于程序的正確運行至關重要。
4. 系統穩定性：內存的運行也決定了計算機的穩定運行。如果內存不足，CPU需要從硬盤中讀取數據，這會導致系統卡頓，甚至可能出現黑屏或游戲跳出的情況。
   綜上所述，內存的存在是為了解決CPU與外部存儲器之間速度和容量的矛盾，提高系統的運行效率和穩定性。

2.操作系統

計算機是一臺機器，它按照用戶的要求接收信息、存儲數據、處理數據，然后再將處理結果輸出（文字、圖片、音頻、視頻等）。計算機由硬件和軟件組成：

硬件是計算機賴以工作的實體，包括顯示器、鍵盤、鼠標、硬盤、CPU、主板等；
軟件會按照用戶的要求協調整臺計算機的工作，比如 Windows、Linux、Mac OS、Android 等操作系統，以及 Office、QQ、迅雷、微信等應用程序。

操作系統（Operating System，OS）是軟件的一部分，它是硬件基礎上的第一層軟件，是硬件和其它軟件溝通的橋梁（或者說接口、中間人、中介等）。

操作系統會控制其他程序運行，管理系統資源，提供最基本的計算功能，如管理及配置內存、決定系統資源供需的優先次序等，同時還提供一些基本的服務程序，例如：

1. 文件系統
   提供計算機存儲信息的結構，信息存儲在文件中，文件主要存儲在計算機的內部硬盤里，在目錄的分層結構中組織文件。文件系統為操作系統提供了組織管理數據的方式。
2. 設備驅動程序
   提供連接計算機的每個硬件設備的接口，設備驅動器使程序能夠寫入設備，而不需要了解執行每個硬件的細節。簡單來說，就是讓你能吃到雞蛋，但不用養一只雞。
3. 用戶接口
   操作系統需要為用戶提供一種運行程序和訪問文件系統的方法。如常用的 Windows 圖形界面，可以理解為一種用戶與操作系統交互的方式；智能手機的 Android 或 iOS 系統，也是一種操作系統的交互方式。
4. 系統服務程序
   當計算機啟動時，會自啟動許多系統服務程序，執行安裝文件系統、啟動網絡服務、運行預定任務等操作。

打個比方，操作系統就好像是一個政府，其它軟件都會被它管控；操作系統在給其他軟件提供各種便利的同時，還會約束其他軟件不能為所欲為。
目前流行的服務器和 PC 端操作系統有 Linux、Windows、UNIX 等，手機操作系統有 Android、iOS、Windows Phone（簡稱 WP），嵌入式操作系統有 Windows CE、PalmOS、eCos、uClinux 等。

我們宏觀地看待從用戶到底層硬件的交互如下圖：

為什么要有操作系統？

操作系統在計算機系統中扮演著至關重要的角色。它不僅管理著計算機硬件資源的分配和調度，而且為上層應用軟件提供了方便的接口，確保了計算機系統的安全和穩定。具體來說：

1. 資源管理：操作系統負責協調計算機的各個資源，確保程序能夠有效地使用硬件資源，同時避免資源沖突和資源浪費。
2. 接口提供：操作系統提供了一系列的底層接口和上層標準，使得不同硬件平臺上的軟件能夠互通，減少了軟件開發者的工作量，因為它們只需關注操作系統的標準接口。
3. 硬件封裝：操作系統向下封裝了硬件的細節，向上提供給用戶和應用程序一個簡潔、易于使用的接口，使得用戶和應用程序員無需了解復雜的硬件細節。
4. .安全與穩定：操作系統通過防火墻、監測程序和補丁等方式，保護計算機免受惡意程序和電腦病毒的侵害，確保了系統的運行穩定。
5. 商業考量：操作系統通常由商業公司提供，這些公司可能會通過操作系統提供增值服務或進行商業變現，如蘋果的App Store和微軟的Windows Store。
   綜上所述，操作系統的存在是為了簡化用戶和應用程序員的操作，提高計算機系統的資源利用率，確保系統的安全性和穩定性，以及為商業公司提供盈利的機會。

那么操作系統如何對它們進行管理呢？首先，對一個事務進行管理，我們首先要對它進行建模，即先描述，再組織；先描述，就要先對它的屬性進行分析，重要屬性的分析就代表這個事務；所以，操作系統要管理某個資源，就要先對它描述，即分析它的屬性，對它建模，再進行組織，組織后進行管理。假設操作系統要管理某一個資源，可以將它描述成一個鏈表，那么就可以看成操作系統對這個鏈表進行資源管理。

總結，計算機管理硬件/操作系統管理資源