计算机体系结构(冯 • 诺依曼体系)和操作系统（Operator System）

一、冯 • 诺依曼体系结构

我们常见的计算机，如笔记本。我们不常见的计算机，如服务器，大部分都遵守冯诺依曼体系。

计算机包含输入设备、输出设备、存储器、中央处理器(运算器+控制器) 截至目前，我们所认识的计算机，都是有一个个的硬件组件组成的。磁盘属于外存，具有永久性存储能力。CPU作为计算机的核心，负责计算，速度最快，寄存器次之，内存在次之，而外设是较慢的。

• 这里的体系结构我们不考虑软件，只研究硬件

其中：

输入设备：键盘、磁盘、网卡、鼠标、摄像头、话筒等

• 计算机的本质是计算数据，要计算数据第一步是想办法把数据交给计算机，需要有对应的设备来采集相应的数据，这就需要使用输入设备。

输出设备：显示器、磁盘、网卡、声卡、音箱、打印机等

• 计算机的作用是服务用户，计算完数据后需要将数据输出给用户，这就需要输出设备

存储器：内存

CPU：运算器、控制器

• 计算机的本质工作是计算，CPU就是用来计算的，这是必不可少的。比如我们今天买了一部手机，这个手机没有芯片，那也只能当作移动硬盘来用。
• 注意：同种设备可能即使输入设备，也是输出设备如磁盘、网卡等
• 内存需要从磁盘中读取数据（为什么不是CPU读取下面会讲），这时它是输入设备，CPU处理好的数据需要经由内存放入磁盘，这里它就是输出设备。
• 我们在聊天软件如微信、QQ聊天时，别人将信息通过网卡传给我们，这时本地的网卡对于我们就是输入设备，我们将信息通过本地的网卡传给别人，此时本地的网卡就是输出设备。
• 存储器不是磁盘，是内存，之后会反复用到内存

1.存储器（内存）

冯诺依曼体系结构里的存储器一般指的是内存。我们都知道，写好的软件在编译好后，要运行，必须要先加载到内存，但是为什么要先加载到内存呢？

因为CPU在和存储器的交互中，要不断读取数据，这些数据必须是在内存里面，这里的CPU能且只能对内存进行读写，不能访问外设(输入或输出设备)，但是你编译好的.exe程序是文件，而这个文件在编译好后是在磁盘这个外设上的，所以cpu会要求你把程序加载到内存，从而实现交互。而这个操作是操作系统帮你完成的，会自动加载到内存上（预加载）。CPU不和外设直接打交道，和内存直接打交道。外设(输入或输出设备)要输入或者输出数据，也只能写入内存或者从内存中读取。所有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。简单来说，就**是所有设备都只能直接和内存打交道，提高整机效率。**

• 总结：所以程序的运行必须要加载到内存，CPU执行的代码访问数据，只能从内存中读取(这也是体系结构规定的)。

在这里大多数人还有一个问题就是，先将输入设备的数据交给内存，再由内存将数据交给CPU，这个过程真的比CPU直接从输入设备获取数据更快吗？

说明这个问题之前，我们首先需要知道：内存具有数据存储的能力。虽然内存的大小只有4G/8G，但是既然内存有大小，那么它就有预装数据的能力，而这就是提高该体系结构效率的秘诀。

这里不得不说到的就是局部性原理：根据统计学原理，当一个数据正在被访问时，那么下一次有很大可能会访问其周围的数据。所以当CPU需要获取某一行数据时，内存可以将该行数据之后的数据一同加载进来，而CPU处理数据和内存加载数据是可以同时进行的，这样下次CPU就可以直接从内存当中获取数据。

输出数据的时候也一样，CPU处理完数据后直接将数据放到内存当中，当输出设备需要时再在内存当中获取即可，这也就有了我们平常所说的缓冲区的概念。例如，缓冲区满了才将数据打印到屏幕上，使用fflush函数将缓冲区当中的数据直接输出之类的，都是将内存当中的数据直接拿到输出设备当中进行显示输出。

按理说，计算机把要处理的数据通过输入设备交给CPU处理，处理好后再通过输出设备显示结果，整个过程为何要有内存呢？

下面将从两个角度去解决这个问题：

一、技术角度：

CPU的内部是有寄存器的，寄存器就是一些存储单元，寄存器的速度是非常快的，而我们要清楚cpu的运算速度 > 寄存器的速度 > L1 ~ L3Cache > 内存 > 外设（磁盘）> 光盘磁带，因此我们得知输入输出设备的速度相较于CPU是很慢的，而如若直接把数据通过输入设备交给CPU处理，处理好后再通过输出设备显示结果，就会产生一个木桶效应：

因此得知，计算机体系的效率不是由cpu决定的（尽管cpu很快），而是由输入输出这两个外设决定的，这就导致计算机的效率非常的差，所以不能只把外设和cpu对接起来，这样的效率太低了。因此冯诺依曼就在输入输出和cpu之间添加了存储器来改变这一现状。

从数据角度看，外设不和CPU直接交互，而是和内存交互，CPU也是如此。仅是添加存储器这个媒介就能解决效率低的原因是如下：

1、从硬件上，存储器的存在更好的适配了外设和CPU速度不均衡的特点。

2、因为存储器的存在，让软件的存在有了更大的生存空间和价值。

• **总结：**内存在我们看来，就是体系结构的一个大的缓存，用于适配外设和CPU速度不均的问题！

二、成本角度

• 前面提到过，CPU具有寄存器，而寄存器也具有存储数据的能力，为什么不用CPU的寄存器来充当这个内存呢，这样就不再需要单独添加内存了。从技术上谈是可以的，但是这就要考虑到成本了：寄存器的成本 >> 内存 >> 磁盘（外设）。如果用寄存器充当内存，光成本就要几十w，真承担不起。而计算机之所以能蔓延全球，主要是其具有便宜和有效的特点。因此使用内存是最优选，既适配了速度不均的问题，也经济实惠。
• **总结：**使用内存可以达到用较低的成本，来获得较高的性能的特点。

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2.运算器和控制器（CPU）

运算器：

计算机计算的种类有两种：算数计算（+、-、*、/……） + 逻辑计算（&&逻辑与、||逻辑或……）

控制器：

控制器也是一个硬件，虽然外设和中央处理器在数据上没有交互，但并不代表它俩就没有交互。前面得知输入设备会把数据预装载到内存，从何和cpu进行交互，但是你怎么知道所有数据都被预装载了呢，针对没被预装载的数据，中央处理器就要和外设进行交互协商，而这个操作就是由控制器完成的，从而将数据尽可能加载到内存，或把数据从内存加载到外设。
几乎所有的硬件，只能被动的完成某种功能，不能主动的完成某种功能，一般都是要配合软件完成的（OS操作系统+CPU）

这里的CPU只能被动接受别人的指令和别人的数据，那么CPU必须先认识别人的指令(每个CPU被制作都有自己的指令集)，才能执行别人的指令，起到计算别人数据的目的。

上面说到CPU的速度很快，而外设的速度很慢，那么CPU直接从外设拿数据效率就降低了，所以数据是从外设加载到内存中的，然后CPU再从内存中读取数据，CPU处理完的数据再返回给内存(产生了缓存)，数据再从内存中加载到外设，这大大提高的数据的处理。

所以CPU再读取和写入时候，在数据层面只和内存打交道，为了整体效率。内存从外设读取和写入数据的过程成为I/O过程(input/output)

3.输入设备和输出设备（I/O设备）

输入设备

借助计算机的输入设备，用户能够轻松地将数据或者指令传递给计算机。同时，计算机中的 CPU 会接收用户输入的指令或数据，并对其进行处理、加工，最终将处理结果反馈给用户。

下面给大家列举了一些常见的输入设备，如下表所示。

	描 述
键盘	最常见的输入设备之一，其包含有多个按键，每个按键上都标有不同的数字、字母、字符等。 如今的键盘，可以通过 USB 或者蓝牙设备连接到计算机，用户只需要按压按键即可向计算机传递数据。
鼠标	一种手持输入设备，通常有 2 个按钮和一个滚轮组成。 借助鼠标，用户可以控制计算机屏幕上光标的移动，也可以选中某个应用程序并对其做打开、删除等操作。
扫描仪	用于扫描图片或者文档，并将扫描的内容转换为数字格式的数据传递给计算机。
摄像头	可以连接到计算机的任何摄像头，都可以称为网络摄像头，笔记本上的内嵌摄像头也可归为此类。 网络摄像头可以拍摄图像或者录制视频，然后将其转换为数字形式传输给计算机。
麦克风	麦克风是用于向计算机中输入声音的输入设备，它可以接收声音产生的振动信息并将其转换为音频信息，必要时它还可以将音频信息转换为数字形式供计算机存储。
数码相机	它可以捕捉图像、视频等信息，并以数字形式存储在存储卡中，用户也可以将存储的信息导入到计算机。
游戏杆/游戏方向盘	游戏杆的功能和鼠标类似，是一种确定位置的输入设备。和鼠标不同，游戏杆是通过摇杆的移动来改变计算机屏幕上光标的位置。 游戏方向盘常用作赛车游戏中的输入设备，借助该设备，用户可以在赛车游戏中控制赛车左转或右转。
触摸屏/触摸板	触摸屏和触摸板都可以看做是鼠标的替代品，它们都是输入设备。这 2 种输入设备允许用户通过手指控制计算机屏幕上光标的移动，还附带点击、选中某个应用程序等功能。
遥控器	遥控器允许用户在不离开座位的情况也可以控制某台设备。以电视遥控器为例，它可以调台、增大或减小电视机的音量等。
VR设备	VR 是指由计算机生成的人工虚拟环境，用户借助 VR 设备（例如 VR 耳机、VR 眼镜等）即可与虚拟环境中的虚拟对象实现交互。
手势识别装置	此类输入设备可以识别人的手势，不同的手势会被识别为不同的指令传输给计算机。
生物识别设备	生物识别主要指的是通过指纹、眼角膜、面部结构等识别一个人的过程。 生物识别设备通常先扫描用户的信息，然后和存储在计算机（数据库）中的数据比对，从而判定该用户的身份是否符合要求。
光学字符阅读器（OCR）	该输入设备可以扫描手写或者打印的文本信息，并将扫描到的数据转换为数字格式传输给计算机。
条形码阅读器	这是一种可读取条形码数据的输入设备。条形码阅读器可以扫描条形码表示的信息并传输给相连接的计算机。
读卡器	读卡器常用于读取银行卡，它可以将银行卡包含的信息传输给连接的计算机。

除上表列举的这些输入设备外，还有一些输入设备，例如 OMR 光标阅读器，数字化仪等，由于不太常见，这里不再做详细的介绍，感兴趣的读者可自行查阅相关资料。

输出设备

计算机的输出设备用于向用户显示计算机对输入数据的处理结果。

计算机可以用多种多样的形式将处理结果展示给用户，比如文本、图像、音频以及视频等。

接下来给大家列举了一些实际生活中常用的输出设备，以及它们各自的特点。

显示器

显示器又称屏幕，是实际生活中最常用的输出设备之一。

显示器用于向用户显示经计算机处理后的数据，且支持文本、图像、音频、视频等多种显示形式。

随着科技的不断进步，根据内部实现机制的不同，显示器又可细分为 CRT显示器（阴极射线管显示器）、LCD 液晶显示器、LED 显示器以及等离子显示器。

打印机

打印机的功能是将计算机的处理结果打印到纸张上，其显示形式可以为文本、图像等形式。

现今市面上的打印机，根据工作原理的不同大体可分为 2 类，分别为击打式打印机和非击打式打印，每一类还有更细致的划分，比如现在常用的喷墨式打印机、激光打印机都属于非击打式打印机，而针式打印机则属于击打式打印机。

投影仪

投影仪也是一种输出设备，它可以将计算机的处理结果以投影的方式显示到大屏幕或者墙壁上。

鉴于投影仪在显示计算机处理结果的同时，还能将其放大显示，因此该类输出设备常常用于演示或者教学。

音箱

音箱也是一种输出设备，它可以将计算机的处理结果以音频的方式播放出来。

4.扩展

1. 我们经常说CPU当中有寄存器，实际上寄存器不仅在CPU中，在其它外设中也有寄存器。

   如：当我们敲击键盘时，键盘是先将获取到的内容存储在寄存器当中，然后通过寄存器将数据写入内存中。

2. 在物理层面，各个硬件单元之间是通过总线连接的，外设与内存之间的总线叫做IO总线，内存与CPU之间的总线叫做系统总线。

3. 在早些年的计算机中，因为芯片能力不强，有时是之间将外设中的数据传输给CPU，CPU计算完后在交给内存，在合适的时候由内存拿出数据。现在不在使用这个技术，而是在外设中使用DMA芯片，将外设的数据存入内存，不在利用CPU。

4. 在数据层面上，CPU不和外设交互，但有时候，有些控制信号需要二者交互。如：一些外设给CPU发送控制信号，请求帮助处理一些数据。

二、数据流动

我们已经有了对冯诺依曼体系的理解，接下来我们就可以看一下，在硬件层面，单机和跨主机之间，数据流是如何流向的！

也就是研究，我们将我们的程序加载到内存，然后执行我们的代码，最后在外设显示器上打印，它的整个数据流在硬件上是如何走的。

该内容难度不高，作为理解软件的工具。因为软件是无法脱离硬件的，当我们理解了硬件的数据流向，软件上的很多行为我们就可以尝试去理解它了。

1.单机

我们以QQ音乐的启动来了解单机中数据是如何流动的？

以在音乐播放器（网易云音乐）播放音乐为例：

首先，我们的客户端软件，先加载到内存，然后由CPU执行，接着我们就看到了网易云的界面，其次，我们点击播放音乐，通过外设的网卡，拿到数据，再将数据传输到内存，经CPU计算（此时的计算可以看作解析），计算后将计算结果返回到内存，由内存传到外设，传到计算机的音箱中播放出来。

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2.跨机

假设你和你的朋友进行qq聊天，如何解释一个数据从你的输入到输出的整个数据流动过程呢？

要使用QQ，首先需要联网，而A和B的电脑都是冯诺依曼体系结构，在A向B发送消息的过程中，A电脑中的键盘充当输入设备、显示器和网卡是输出设备。B电脑中的网卡充当输入设备、显示器充是输出设备。

因为你和你朋友的计算机都是冯诺依曼体系，所以你们通信的本质就是从一个体系结构到另一个体系结构，A在键盘上输入数据，在硬件上讲，将数据输入到内存，在软件上讲，将数据输入到QQ中。然后数据要经过计算和加密，经由CPU计算，将计算结果传回内存，由内存传到外设，这里是传到了两个地方，一个是A自己的显示器，因为他输入的消息，他自己也要看到，另一个传到了网卡，经由网卡传给B。B的计算机通过网卡拿到数据，将数据传给内存，经过CPU进行解密操作，在传回内存，由内存传到外设中的显示器，使B看到该消息。

其中，将外设中的数据读入内存，将数据显示在显示器上和发送到网卡，都是由软件（QQ）内部自己来完成。

对冯诺依曼的理解，不能停留在概念上，要深入到对软件数据流理解上，请解释，从你登录上qq开始和某位朋友聊天开始，数据的流动过程。 从你打开窗口，开始给他发消息，到他的到消息之后的数据流动过程。如果是在qq上发送文件呢？

• 发送消息 ——> 接受消息的数据流动：你的电脑键盘 —> 你的电脑内存 —> 你的电脑的CPU (加密) —> 你的电脑网卡 —> 你朋友电脑的网卡 —> 你朋友电脑的内存 —> 你朋友电脑的CPU (解密) —> 你朋友电脑的显示器
• 发送文件 ——> 接受文件的数据流动：你的电脑键盘 —> 你的电脑内存 —> 你的电脑的CPU (加密) —> 你的电脑网卡 —> 你朋友电脑的网卡 —> 你朋友电脑的内存 —> 你朋友电脑的CPU (解密) —> 你朋友电脑的显示器

三、操作系统OS

操作系统概念

任何计算机系统都包含一个基本的程序集合，称为操作系统(OS)。笼统的理解，操作系统包括：

• 内核（进程管理，内存管理，文件管理，驱动管理）
• 其他程序（例如函数库， shell程序等等）

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设计OS的目的

在整个计算机软硬件架构中，操作系统的定位是： 一款纯正的“搞管理”的软件。对下要管理好软硬件资源，对上要给用户提供一个良好的运行环境。那操作系统究竟管理些什么呢？操作系统主要进行以下四项管理：

• 内存管理：内存分配、内存共享、内存保护以及内存扩张等等。

• 驱动管理：对计算机设备驱动驱动程序的分类、更新、删除等操作。

• 文件管理：文件存储空间的管理、目录管理、文件操作管理以及文件保护等等。

• 进程管理：其工作主要是进程的调度。

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如何理解管理

下面我将从三个方面去理解管理：

一、管理者不需要与被管理者直接交互，依旧能够很好的将被管理者管理起来

我们以学校为例，学校的校长并没有直接与我们 (学生) 进行交互，但是他仍然能够很好的将我们管理起来。可能有的同学会说，我们并不是由校长来管理的，而是由辅导员来管理的。但是实际上，辅导员并不算一个管理者，他没有重大事宜的决策权。

拥有对重大事宜的决策权的人才是管理者，虽然日常与我们进行交互的入是辅导员，但是辅导员对我们并没有决策权，比如你是否能够升级、是否能够评优评先、是否会别学校开除等等重大事项。

二、管理的本质就是对数据的管理

先举个例子，每个高校都有校长、辅导员、学生这三类人。这里面有人是做决策，有人是做执行，当然这也就有了管理者与被管理者的身份，而管理的本质：不是对被管理对象进行直接管理，而是只要拿到被管理对象的所有的相关数据，我们对数据的管理，就可以体现对人的管理！！而拿到相关数据的人就称为执行者，我们画个简图示意：

而上述校长的角色就是操作系统，辅导员就是驱动，学生就是硬件。对于计算机来说，各种硬件对应的驱动就是所谓的执行者，比如网卡有网卡驱动，磁盘有磁盘驱动；操作系统从这些驱动获取硬件数据，然后通过对硬件的数据进行管理实现对硬件的管理。

• 综上管理的本质是对数据的管理，但是数据是有“多、少”的分别的。当数据量很大时该如何管理呢，下面就来讨论。

三、管理的理念就是先描述，再组织

• 对于校长来说，他想管理上千号学生本质就是在管理数据，但是数据量很大，可是每个学生的重复数据类型很多，比如每个学生都具有籍贯、姓名、各科成绩……，我们先前在学习c语言的过程中，都知道有struct，它是用来描述对象的某种功能，如下：

struct student
{
    学生的基本信息（身高、姓名、年纪、电话……）
    在校基本信息（宿舍号、专业、班级、年纪……）
    考试成绩（高数、大物、英语……）
    学校活动（学生会主席？班长？……）
    ……
};
int main()
{
    struct student zhangsan = { …… }；
    struct student lisi = { …… };
}

• 这是站在C语言的视角用结构体类型来定义变量，如果数据量过大，多大上万个，那么就要定义上万个变量来记录这些人的数据，可这就会导致这么多变量毫无关联，同样对于校长来说难道我要一个一个小本本的添加信息吗，这不纯纯冤种。对于校长，他就想到可以创建一个链表结构，在结构体内部构建前驱和后继指针

struct student
{
    //学生……
    struct student* next;
    struct student* prev;
};

• 通过这样一个链表结构，每个节点存储了各个学生的相关信息，而这些节点又是前后相串联起来的，如图示：

• 此时对学生的管理，就变成了对链表的增删改查。校长要想派出一名学生去参加数学竞赛，那么就遍历此链表，并找出数学成绩最好的那个……

由硬件各种数据抽象出来的结构体

typedef struct device {
	int type;    //设备类型
	int status;  //设备状态
	...          //其他属性信息
	struct device* next;  //下一个设备的地址
}Dev;

对各种设备的数据进行管理转变为了对链表进行增删查改

list dev_list;
struct Dev disk_div;
dev_list.insert(disk_div);
struct Dev keyBoard_div;
dev_list.insert(keyBoard_div);
dev_list.erase(display_div);
...

总结：管理的本质是对数据进行管理，而对数据的管理就是对某种数据结构的管理。管理的核心理念就是先描述、再组织。所以无论是C还是C++，都是来帮助我们描述对象的，而数据结构是帮助我们把所有的对象组织管理起来的。

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OS的管理结构

先来看下银行的体系结构：

• 银行有自己的底层硬件，比如电脑，桌椅，仓库，宿舍……。当然上面也有一批人专门负责对应硬件的管理，这一批人直接和硬件打交道。再往上就会有银行的正式职工，可以用电脑，做桌椅，取钱，住宿舍……。因为这些职工的存在再往上就会产生银行的业务。而这些职工也会有人管理，叫做行长，可以管理软硬件。整个这一套就是银行的体系结构。

类似的操作系统也是差不多这个结构。

• 计算机的底层有相应的硬件和驱动程序，操作系统内核对下可以管理好软硬件，同样也要管理进程。并且可以对外提供服务。
• 操作系统并不相信任何的用户，它不会将自己任何的数据结构、代码逻辑……直接暴露给用户，为的是防止用户恶意修改操作系统，所以操作系统是通过系统调用的方式，对外提供接口服务！类似于银行的工作人员提供一个一个小的窗口来给我们服务。Linux操作系统是用C语言写的，这里所谓的“接口”，本质就是C函数！。我们学习系统编程，本质就是在学习这里的系统接口。
• 系统调用在使用上，功能比较基础，对用户的要求相对也比较高，所以，有心的开发者可以对部分系统调用进行适度封装，从而形成库（用户操作接口），有了库，就很有利于更上层用户或者开发者进行二次开发。

四、系统调用与用户操作接口

1.系统调用接口

既然操作系统是管理各种软硬件资源的软件，那么我们能否通过操作系统直接对各种软硬件进行操作呢？比如磁盘、显示器、磁盘驱动等设备；答案是不能，因为操作系统不相信任何用户，操作系统不确定我们是否会对各种软硬件进行违法操作，比如删除磁盘驱动、向磁盘中添加恶意数据等等。

但是操作系统又必须给上层用户提供各种服务，比如用户访问软硬件的需求，比如从磁盘中读取与写入数据、向显示器打印数据、通过网卡发送数据等等；针对上述情况，操作系统想了一个完美的方法：给用户提供系统调用的接口，即当用户有访问软硬件的需求时，直接调用操作系统提供的接口，然后由操作系统来帮助用户完成对应的工作；这样即满足了用户的需求，又保护了软硬件资源。

注：Linux 操作系统是托瓦兹大神于1991年使用C语言编写的，而上述的各种系统调用接口又是由操作系统提供的，所以它们也是C式的接口，说白了就是 用C语言编写的用于用户调用的各种函数接口。

2.用户操作接口

虽然操作系统为我们提供了各种系统调用接口让我们来访问软硬件，但是这些接口在使用上功能比较基础，对用户的要求也相对较高；于是人们在系统调用接口的基础上开发出了用户操作接口，比如 Linux 下的外壳程序 shell，各种函数库 (C/C++等)，windows 图形化界面 (GUI)，以及一些指令 (编译好的可执行程序) 等；

用户通过这些操作接口进行指令操作、开发操作以及管理操作等等；比如 Linux 下外壳程序 bash 提供的 ls，本质上是调用系统接口，将磁盘中文件信息写入到显示器；touch 本质是调用系统接口，在磁盘上创建文件；又比如 C语言的 scanf/printf 函数，底层都是调用系统调用接口从键盘读入数据/向显示器上打印数据。

参考文章：
1、计算机软硬件体系结构
2、I/O设备(输入设备和输出设备)