冯诺依曼体系结构和操作系统
一、冯诺依曼体系结构
冯诺依曼体系结构的推导
首先，大家用电脑必须要用输入设备和输出设备。
就比如说，我们必须要有键盘和屏幕，否则我们就没有办法使用计算机。
计算机会处理我们输入的数据，因此必须要有运算的设备来进行逻辑计算和算数运算。
因此，我们可以得到下图：
但是，计算机还需要有一个东西来控制整个过程，就譬如控制什么时候从输入设备中获取到数据、什么时候将数据输出到输出设备当中。
因此，我们又得到了下图：
下面，我们分别介绍逻辑运算、算数运算、控制功能的含义
- 逻辑运算：逻辑与、逻辑或等
- 算术运算：加减乘除
- 控制功能：判断、循环、函数之间的跳转
我们将拥有以上三个功能的器件叫做中央处理器，也就是CPU。
有一个效应，叫做木桶效应，一个桶能装多少水，取决于最短板。对于计算机而言，计算机的快慢，也取决于最慢的设备。
在上图中，最慢的设备显然是输入和输出设备，它们远慢于CPU，因此，整个体系结构最终呈现的速度很慢。
为了解决这个问题，我们就不再让输入设备和输出设备直接和CPU进行交互了，而是在中间加到了一个起到缓冲作用的器件，也就是内存。
内存的特点是，比输入和输出设备要快得多，但是又要比CPU慢。内存在它们之间就起到了一个缓冲的作用。
到了现在的这个体系，整个运行流程就是这样子的：
- 用户输入的数据先放到内存当中，然后CPU直接从内存当中读取数据进行处理，处理完了之后再把数据放到内存当中，最后内存再将数据输出到输出设备当中。最终就形成了冯诺依曼体系结构。
- 第一点是数据的流动过程，但是CPU是可以直接给输入和输出设备发送控制信号的。
那么，最终的图就是这样子的：
以上的解释在任何一本书上都可以看到，下面说点书里看不到的。
内存在冯诺依曼体系当中的作用
首先，内存是具备存取数据的能力的，而且目前的内存也不小，能存的东西也不少。
既然，内存具备存取数据的能力，那么，它就具备一项能力：预先装载数据。
局部性原理：根据统计学原理，当一个数据被访问时，那么下一次访问很大可能就是它周围的数据。
根据局部性原理，当CPU需要某一行数据的时候，内存就会将这一行数据附近的数据也加载进去，而CPU处理数据和内存加载数据是可以同时进行的，那么就可以做到CPU一边处理，内存一边加载。这样，CPU就可以直接在内存中获取到数据。
2.操作系统
2.1操作系统是什么
简单来说，操作系统就是一款管理软硬件资源的软件。
2.2为什么需要操作系统？
- 操作系统可以和硬件交互，管理全部的软硬件资源。
- 用户直接和硬件打交道成本太高，操作系统可以提供一个良好的执行环境。
2.3操作系统的定位
写冯诺依曼体系结构不是没有理由的。
首先，我们能看得到的是机箱，把机箱的外壳拆开，我们就可以看到组成计算机的硬件。
这些硬件都安装在主板上，但，实际上，它们都按照冯诺依曼体系结构进行组织。
而，电脑单单只有这有这些硬件是不够的，我们还需要一个东西把这些东西管理起来。管理硬件的东西就叫做操作系统。
现在，我们简单总结一下：
- 硬件按照冯诺依曼体系结构进行组织
- 硬件被操作系统管理
好，那么，我们来进行下一个问题：操作系统直接和硬件打交道吗？操作系统是怎么样管理硬件的呢？
举个例子，如果操作系统自己和硬件打交道来完成键盘的读取操作，那么只有键盘的读取方式发生了改变，那么操作系统的内核源代码就需要重新编译，这样子的话，维护成本就未免有些太高了。因此，我们又在操作系统和硬件之间加了一层：驱动层。
驱动层的任务就是单独去控制硬件。
那么，操作系统究竟管理的是什么呢？
操作系统主要管理以下四项：
- 内存管理：内存分配、共享、保护、扩张等操作
- 驱动管理：对计算机硬件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。
- 进程管理：对进程的调度
操作操作系统的是用户，也就是我们，这一层被称为用户层。
在这一层中，我们可以通过命令行或是图形化界面进行各种操作。
但是，操作系统为了保护自己，只对上暴露了一些接口，而不是让用户直接访问操作系统，这一部分接口被称为系统调用接口。
因为要使用系统调用的前提是要对系统有一定了解，因此这些系统调用接口对普通用户来说使用的成本很高。
所以，在系统调用接口之上又封装了一批库，就譬如libc和libc++。我们把这些接口称为用户操作接口。
实际上，我们在语言级别上使用的各种库，就是封装了系统调用接口。
2.4 结语
至此，我们就了解了操作系统的地位。
3.管理：先描述，再组织。
首先，对于人类而言，若是想要完成一件事，那么我们就一定要先做好决策，之后便是执行决策。
对于计算机而言也一样，但是做出决策和执行决策两件事不是在同一层发生的。
譬如：用户双击了QQ软件，这时操作系统便知道了用户想要打开QQ软件，但是软件是依赖于硬件的，因此“打开QQ”的决策会一步步往下传递到硬件层，最终执行。
那么，这个过程是如何完成的呢？
我们先说一个小故事：
对于学校而言，我们分出如下三个角色：校长、老师、学生。
现在，有一个比赛，需要三个学生参加。
校长知道了比赛的消息了之后，就把这个消息告诉了老师，并要求老师拿出前十名的学生，他将从这10名学生中找出3个学生参加比赛。
于是，老师将这10个学生的信息给了校长，然后校长从里面选出了3名学生，并告诉老师：“你组织以下这三个学生，好好准备准备，参加这次比赛。”
于是，老师听到了这个消息了之后，就告诉了这三名学生，并让他们开展相应的训练。
在上面的小故事中，校长并没有见到这三个学生，但是却管理了这三个学生。
他根据的是什么呢？便是这三个学生的信息，也就是这三个学生的数据。
大家都做过学生管理系统，也一定知道，学生的数据都是用一个数据结构保存的，每一个学生的数据就是一个节点。
那么，对应到上面的例子当中，也就是，老师取出了10个节点的数据交给了校长。校长从中删掉了七个学生，把剩下的三个学生交给了老师。
在上例中，校长是管理者，学生是被管理者，老师是中间的一个媒介。
我们总结一下，就可以得知管理到底是怎么执行的了：
- 管理者先把被管理者的各种信息进行描述，然后再用某种数据结构组织起来。
- 然后管理者管理对应的被管理者，也就是对数据结构的增删查改。