馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)

引入

馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)（von Neumann architecture）是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，也是目前廣泛應(yīng)用的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)之一。它是由物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家馮·諾依曼在1945年提出的，被認(rèn)為是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的奠基之作。馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)具有存儲(chǔ)程序和通用性的特點(diǎn)，這意味著計(jì)算機(jī)的指令和數(shù)據(jù)都可以存儲(chǔ)在同一個(gè)存儲(chǔ)器中，而不需要使用不同的存儲(chǔ)器進(jìn)行分離。這種體系結(jié)構(gòu)的發(fā)明和普及，極大地推動(dòng)了計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，并為計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在本文中，我們將詳細(xì)介紹馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)的原理、特點(diǎn)和應(yīng)用，為讀者對(duì)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的了解提供幫助。

1、馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)

這里的存儲(chǔ)器是誰(shuí)？—>內(nèi)存：掉電易失 而磁盤(pán)—>外存—>具有永久性存儲(chǔ)能力

CPU=運(yùn)算器+控制器+其它；CPU在讀取與寫(xiě)入時(shí)，在數(shù)據(jù)層面，只和內(nèi)存打交道！——提高整機(jī)效率

CPU其實(shí)很笨，只能被動(dòng)的接受別人的指令、別人的數(shù)據(jù)—>執(zhí)行別人的指令，計(jì)算別人的數(shù)據(jù)

接受指令？CPU必須先能識(shí)別指令—>CPU有自己的指令集

指令集：精簡(jiǎn)指令集&&復(fù)雜指令集

我們些的代碼，編譯的本質(zhì)是？——形成二進(jìn)制可執(zhí)行程序—>CPU計(jì)算

Q：程序要運(yùn)行必須加載到內(nèi)存？為什么要加載？

A：CPU要執(zhí)行程序、訪問(wèn)數(shù)據(jù)，只能從內(nèi)存中讀取（體系結(jié)構(gòu)規(guī)定！）

總結(jié)：

1、CPU不和外設(shè)直接打交道，和內(nèi)存直接打交道

2、所有的外設(shè)，有數(shù)據(jù)需要載入，只能載入到內(nèi)存中，內(nèi)存寫(xiě)出，也一定是寫(xiě)到外設(shè)中

1.1 內(nèi)存

內(nèi)存用來(lái)適配外設(shè)和CPU速度不均的問(wèn)題！

CPU運(yùn)算速度>高速緩存（Cache） > 內(nèi)存 > 固態(tài)硬盤(pán)

可以用水桶效應(yīng)來(lái)形象理解，當(dāng)CPU速度過(guò)快而存儲(chǔ)能力跟不上時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)瓶頸；因此，在設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)需要平衡CPU和存儲(chǔ)器讀取速度，內(nèi)存即是用于解決外設(shè)和CPU速度匹配問(wèn)題！

1.2 操作系統(tǒng)預(yù)加載

操作系統(tǒng)預(yù)加載（OS preloading）是指在系統(tǒng)啟動(dòng)或者應(yīng)用程序運(yùn)行之前，將某些關(guān)鍵資源或者數(shù)據(jù)提前加載到內(nèi)存中，以加快系統(tǒng)的啟動(dòng)速度或者應(yīng)用程序的響應(yīng)速度！

2、操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)是一個(gè)進(jìn)行軟硬件資源管理的軟件

為什么需要管理？—>通過(guò)合理的管理軟硬件資源（對(duì)下），為用戶提高良好的、穩(wěn)點(diǎn)的、高效的、安全的執(zhí)行環(huán)境（對(duì)上）

2.1 理解管理

我們?cè)O(shè)想一個(gè)場(chǎng)景：校長(zhǎng)作為學(xué)校的管理者，學(xué)生作為被管理者，是被校長(zhǎng)直接管理的嗎？顯然不是，校長(zhǎng)甚至從未見(jiàn)過(guò)我們，那他是如何對(duì)我們進(jìn)行管理的呢？學(xué)生的所有數(shù)據(jù)，早已被校方所掌握，且一直在更新！

對(duì)管理者的理解：管理者不需要和被管理者直接交互，依舊能夠把被管理對(duì)線管理起來(lái)！

所謂管理者，即是對(duì)重大事宜具有決策的權(quán)力

由此可知，管理的本質(zhì)是對(duì)數(shù)據(jù)做管理！

驅(qū)動(dòng)程序本質(zhì)上是軟件代碼，主要作用是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與硬件設(shè)備之間完成數(shù)據(jù)傳送的功能，只有借助驅(qū)動(dòng)程序，兩者才能通信并完成特定的功能。 如果一個(gè)硬件設(shè)備沒(méi)有驅(qū)動(dòng)程序，只有操作系統(tǒng)是不能發(fā)揮特有功能的，也就是說(shuō)驅(qū)動(dòng)程序是介于操作系統(tǒng)與硬件之間的媒介，實(shí)現(xiàn)雙向的傳達(dá)，即將硬件設(shè)備本身具有的功能傳達(dá)給操作系統(tǒng)，同時(shí)也將操作系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)指令傳達(dá)給硬件設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)兩者的無(wú)縫連接

1、操作系統(tǒng)通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)做管理，來(lái)進(jìn)行對(duì)被管理者進(jìn)行管理

2、數(shù)據(jù)的采集和決策的執(zhí)行有驅(qū)動(dòng)完成

那么管理者是如何能一直拿到數(shù)據(jù)呢？

此時(shí)，對(duì)學(xué)生數(shù)據(jù)做管理，即是對(duì)鏈表做管理！

以上過(guò)程，是對(duì)被管理對(duì)象進(jìn)行建模的過(guò)程！

👉 所有的管理，本質(zhì)邏輯都是：先描述，再組織；采用面向?qū)ο?/strong>進(jìn)行描述，用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的知識(shí)進(jìn)行組織！

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總結(jié)：

1、管理的本質(zhì)：對(duì)數(shù)據(jù)做管理

2、管理的方法：先描述，再組織

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2.2 系統(tǒng)調(diào)用接口

在現(xiàn)實(shí)中，假如我們需要去銀行辦理存錢(qián)、取錢(qián)等業(yè)務(wù)，進(jìn)入銀行后有大堂經(jīng)理組織我們，到柜臺(tái)有柜員為我們辦理操作，此服務(wù)方式我們稱之為接口式服務(wù)，對(duì)于計(jì)算機(jī)亦是如此：

人能管理硬件，人也可以管理人；軟件能管理硬件，軟件也可以管理軟件！

操作系統(tǒng)接口為何存在？

操作系統(tǒng)為了保護(hù)自己（操作系統(tǒng)不信任任何人！），對(duì)外會(huì)表現(xiàn)為一個(gè)整體，但是會(huì)暴露自己的部分接口，供上層開(kāi)發(fā)使用，這部分由操作系統(tǒng)提供的接口；

2.3 操作系統(tǒng)四大基本功能

1. 進(jìn)程管理：操作系統(tǒng)通過(guò)進(jìn)程管理來(lái)協(xié)調(diào)和控制系統(tǒng)中運(yùn)行的進(jìn)程。它負(fù)責(zé)分配和管理系統(tǒng)資源，如內(nèi)存、CPU時(shí)間、輸入輸出設(shè)備等，以保證系統(tǒng)中每個(gè)進(jìn)程的正常運(yùn)行和相互協(xié)作。
2. 存儲(chǔ)管理：操作系統(tǒng)的存儲(chǔ)管理功能包括內(nèi)存管理和外存管理。內(nèi)存管理負(fù)責(zé)將物理內(nèi)存分配給進(jìn)程，并對(duì)其進(jìn)行管理，以確保每個(gè)進(jìn)程都有足夠的內(nèi)存可用。外存管理則負(fù)責(zé)管理磁盤(pán)等外部存儲(chǔ)器，以提供更大的存儲(chǔ)空間。
3. 文件管理：操作系統(tǒng)的文件管理功能負(fù)責(zé)管理和控制系統(tǒng)中的文件和目錄。它提供了對(duì)文件系統(tǒng)的訪問(wèn)接口，并提供了文件的創(chuàng)建、打開(kāi)、讀取、寫(xiě)入、刪除等操作，以及目錄的創(chuàng)建、重命名、刪除等操作。
   提供更大的存儲(chǔ)空間。
4. 文件管理：操作系統(tǒng)的文件管理功能負(fù)責(zé)管理和控制系統(tǒng)中的文件和目錄。它提供了對(duì)文件系統(tǒng)的訪問(wèn)接口，并提供了文件的創(chuàng)建、打開(kāi)、讀取、寫(xiě)入、刪除等操作，以及目錄的創(chuàng)建、重命名、刪除等操作。
5. 驅(qū)動(dòng)管理：操作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)管理功能負(fù)責(zé)管理和控制系統(tǒng)中的各種設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。它使操作系統(tǒng)能夠與硬件設(shè)備進(jìn)行交互和通信，并為應(yīng)用程序提供訪問(wèn)硬件的接口。操作系統(tǒng)必須識(shí)別并正確管理系統(tǒng)中所有的硬件設(shè)備，以便應(yīng)用程序能夠使用它。