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深入理解冯诺依曼体系结构 计算机的出现就是为了解决实际问题, 所以把问题交给计算机#xff0c;计算机经过处理#xff0c;得到一个结果反馈给我们#xff0c;所以这中间就必然涉及到了输入设备#xff0c;中央处理器(包括运算器和控制器)和输出设备…一、冯诺依曼体系结构
深入理解冯诺依曼体系结构 计算机的出现就是为了解决实际问题, 所以把问题交给计算机计算机经过处理得到一个结果反馈给我们所以这中间就必然涉及到了输入设备中央处理器(包括运算器和控制器)和输出设备
运算器主要用于进行各种数值和逻辑运算包括加减乘除、与或非等操作控制器则负责从主存中获取指令及相关数据并决定如何对这些指令进行翻译和执行以维持计算机系统的正常运行后面我们就把运算器和控制器统称为中央处理器(cpu), 所以按照我们的理解体系结构应该如下: 但是由于外部设备(输入设备和输出设备)相对于cpu来说速度很慢根据木桶原理计算机呈现出的整体的效率就很低, 所以我们又加入了内存这个设备 内存速度虽然比不上cpu,但是比外设快很多因此最终呈现出的计算机效率还是不错的所以内存相当于起到了缓冲的作用根据该体系结构计算机处理问题的流程如下:
输入数据到输入设备将数据从外设加载到内存中cpu从内存中读取数据进行处理处理完之后写回到内存内存再把数据交给输出到输出设备上最终显示给用户就有了最终的冯诺依曼体系
值得一提的是把外设的数据加载到内存和cpu读取内存数据是完全可以同时进行的效率就更高了所以内存可以理解为一个很大的缓存
冯诺依曼体系结构的价值 计算机中的存储结构是呈现金字塔状的既然磁盘便宜为啥不全部搞成瓷盘呢因为速度太慢了计算机基本没法运行那既然寄存器速度快为啥不全部搞成寄存器呢因为造价太高了注定大多数人买不起计算机也就无法普及开来所以冯诺依曼体系结构的巨大意义在于用较少的钱造出效率不错的计算机让普通老百姓用的起计算机技术改变世界
冯诺依曼补充内容 1.图中的存储器指的就是内存 2.计算机中几乎所有的设备都具备数据存储能力只是存储能力强弱的区别 3.内存是掉电易失性存储介质磁盘相对来说是永久存储性介质 4.设备之间交互的本质是把数据从一个设备拷贝到另一个设备存储的效率决定了拷贝的效率决定了设备和设备之间通信的效率 5.把数据从一个设备搬运到另外一个设备这个工作是由操作系统来完成的 6.除了cpu和内存之外计算机中的大部分设备都叫做输入输出单元 输入单元:键盘话筒 摄像头, usb, 鼠标, 磁盘/ssd, 网卡 输出单元:显示器喇叭打印机磁盘网卡显卡等等各种设备 7.同一个设备既可以是输入设备也可以是输出设备(比如网卡) 冯诺依曼体系的应用
1.解释程序在运行之前先要被加载到内存中这句话
程序是保存在磁盘上的也就是外部设备而由冯诺依曼体系结构知道cpu在数据层面上是不和外设交互的而是和内存交互所以必须先把程序加载到内存,cpu才能读取数据运行程序, 所以是由体系结构决定的
2.你和qq好友发消息的过程 你输入在吗到键盘后操作系统将数据从键盘加载到内存中cpu从内存中读取数据并处理(比如打包在吗和你的头像发送时间等等), 处理完之后写入到内存中然后通过网卡(输出设备)传输到网络上经过传送你朋友的网卡(输入设备)接收到你的消息然后加载到内存经过cpu的处理(解包等)写回内存然后从内存输出到显示器上你就看到了在吗这条消息以及发送时间等其他信息,
但是你发送的在吗也会显示到你的显示器上这是为什么
因为你的内存数据输出到网卡的同时也输出到了你的显示器上输出设备是不唯一的
二、操作系统(OS)
OS定位
操作系统是一款进行软硬件管理的软件
当你电脑开机时操作系统就是第一个加载起来的软件
OS存在的目的
1.将软硬件资源管理好(手段)
2.给用户提供一个良好(稳定高效安全易用)的使用环境(目的)
OS管理的精髓
···管理
以下是通过学校模型来深入理解管理
简化学校的模型假如只有校长辅导员和学生校长是管理者学生是被管理者辅导员是什么角色呢??? 学校的管理者是校长但是我们基本很少和校长见面校长如何做管理??
所有的事情无外乎是在做决策或者是做执行真正的管理者是做决策的 而如何做决策??
根据完善的数据做决策 但是校长和学生很少见面如何拿到数据?? 辅导员可以拿到学生数据反馈给校长, 辅导员核心工作是做执行
所以管理的本质不是管人而是管理数据
当学生多了起来这么多的学生信息量是很大的如何管理这些数据呢???
学生虽然很多但是要收集的学生的信息种类都一样比如说姓名性别年龄身高成绩等等统计到excel表格里就变成了对结构化数据的管理!
后来校长把每一个学生的属性抽象出来成为结构体类型(C中的类), 于是每个学生都有自己的结构体变量了但是这些变量是独立的为了把这些变量关联起来于是校长用链表把结构体变量连接起来对学生信息的管理就变成了对链表的增删查改!! 这就完成了对学生管理的建模过程 ···先描述再组织
任何管理工作都可以经过先描述再组织来完成计算机建模
人是通过属性认识世界的所以“先描述如何描述?? 通过提炼属性属性的集合就代表了事物
上述对学生属性进行抽象形成结构体的过程就是先描述然后把一个个结构体变量用数据结构连接起来的过程就是再组织
我们之前在写C语言项目/数据结构/开始写代码的时候总是先写class/struct, 再写其他代码这就是先描述再组织!
C中类和对象有封装继承多态, STL中有各种容器这就是先描述再组织的体现所以C能解决现实中的问题!
计算机的层状结构 我们从两部分来理解计算机的层状结构第一部分是操作系统以下的部分也就是OS存在目的中的第1点把软硬件资源管理好第二部分是操作系统以上的部分也就是OS存在目的中的第2点为用户提供良好的使用环境
···管理好硬件资源
1.底层硬件是以冯诺依曼的形式进行组织的
2.操作系统是要管理底层硬件的但是操作系统并不直接和硬件交互如何管理
只需要拿到硬件相关的数据即可比如磁盘有几个分区一共多少容量当前使用了多少还剩多少磁盘状态(休眠/运行/挂掉了) 这些都是数据所以只需要对数据做管理如何拿数据
OS和底层硬件之间还有一层叫做驱动程序驱动程序帮助OS获得底层硬件的各种数据而要管理就要先描述后组织Linux是用C语言写的所以在OS内要出现struct harddev{ 设备属性...} 类似内容采集到硬件的数据之后形成对硬件管理的数据结构(比如单链表),于是OS对硬件的管理就变成了对硬件对应的数据结构的增删查改
硬件物理上连接到了电脑并不意味着就被OS管理起来了(比如鼠标插到了电脑上), 必须是OS内存在管理这个硬件的数据对象和数据结构才叫硬件被OS管理起来了 操作系统的管理 1.进程管理 2.内存管理 3.文件/IO管理 4.驱动管理 ···为用户提供良好的环境
用户广义指所以使用电脑的人狭义指的是开发者 首先得让开发者用起来否则开发者就没法开发出各种软件了下面的用户默认指的是开发者
用户要访问硬件或者其他信息直接访问OS不就行了吗?? 因为用户也有坏人所以不让用户直接访问OS内的数据所有操作系统不相信用户但是必须给用户提供给服务
银行系统和操作系统的设计就很相似: 银行的小窗口就类似于OS的系统调用接口系统调用接口是OS自己提供的其实就是OS把自己内部很多有价值的东西封装成函数 用户要访问操作系统内部的软硬件信息就得调用系统调用接口这是用户获取系统数据的唯一方式
再回顾一下C语言中的printf函数而printf是将数据打印到了显示器上而用户是没有能力直接访问硬件的所以printf必定封装了系统调用
但是系统调用使用起来比较麻烦用系统的人并不善于使用 开发的人频繁一些系统调用 为了更加方便使用以及开发:
用系统的人的角度: 提供外壳程序(shell, 图形化界面)(外壳程序一定会调用系统调用)
系统上开发的人的角度: 将系统接口封装成各种各样好用的函数打包形成库直接调用函数即可所以库和系统调用是上下层关系
