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冯•诺依曼体系
结构推导
计算机的主要作用是解决人们的问题。为了实现这一目标，首先需要将数据或问题输入到计算机中，因此计算机必须配备输入设备。在计算机处理完问题后，还需要将结果显示出来，所以计算机必须配备输出设备。通过输入设备获取数据后，计算机会对这些数据进行一系列的算术运算和逻辑运算，最后通过输出设备将结果输出。整个过程可以总结为以下流程图。
然而，计算机不仅仅需要具备算术运算和逻辑运算功能，还需要具备控制功能，以便控制何时从输入设备获取数据，何时将数据输出到输出设备等。在c语言中，算术运算对应一系列的加、减、乘、除操作，逻辑运算对应一系列的逻辑与、逻辑或等操作，而控制功能则对应于c语言中的条件判断、循环结构以及各个函数之间的跳转等。
因此，我们将这个具有算术运算功能、逻辑运算功能以及控制功能的模块称为中央处理器，简称cpu。
然而，相对于中央处理器，输入设备和输出设备的速度非常慢。因此，在当前的计算机体系中，输入设备和输出设备的速度显得很慢，而cpu的速度非常快。根据木桶原理，整体系统的速度最终会受到最慢部分的限制，因此整个系统的表现速度将会是很慢的。
因此，当前的体系结构显然是不合适的。为了解决这个问题，我们不再让输入设备和输出设备直接与cpu交互，而是在它们之间加入了内存。
内存的一个特点是其速度远快于输入设备和输出设备，但又比cpu慢。因此，内存处于慢设备和快设备之间，作为一个不快也不慢的设备，能够在这个体系结构中起到缓冲作用。
现在的体系运行流程如下：用户输入的数据首先被存放到内存中，cpu需要读取数据时直接从内存中读取。cpu处理完数据后将其写回内存，然后内存再将数据传输到输出设备，最后由输出设备进行输出显示。
这就形成了最终的冯诺依曼体系结构。
内存提高效率的方法
很多人有一个疑惑：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？
在解释这个问题之前，我们首先需要了解：内存具有数据存储的能力。虽然内存的容量只有4g或8g，但既然内存有容量，就意味着它具有预装数据的能力，而这正是提高该体系结构效率的秘诀。
这里不得不提到局部性原理：根据统计学原理，当一个数据正在被访问时，下次很可能会访问其周围的数据。因此，当cpu需要获取某一行数据时，内存可以将该行数据及其周围的数据一同加载进来。cpu处理数据和内存加载数据可以同时进行，这样下次cpu就可以直接从内存中获取数据。
输出数据时也是如此：cpu处理完数据后直接将数据放到内存中，当输出设备需要时再从内存中获取。这就引出了我们常说的缓冲区的概念。例如，缓冲区满了才将数据打印到屏幕上，使用fflush函数将缓冲区中的数据直接输出等，都是将内存中的数据直接传递到输出设备进行显示输出。
数据的流动过程
要使用qq，首先需要联网。你和你朋友的电脑都采用冯诺依曼体系结构。在你向朋友发送消息的过程中，你的电脑中键盘充当输入设备，显示器和网卡充当输出设备；而你朋友的电脑中，网卡充当输入设备，显示器充当输出设备。
首先，你在键盘上输入消息，键盘将消息加载到内存。此时，你的显示器可以从内存获取消息并显示在你自己的屏幕上，这样你就能看到自己所发送的消息。
当键盘将消息加载到内存后，cpu从内存获取消息并对其进行各种封装，然后将封装好的消息写回内存。接下来，你的网卡可以从内存获取已封装的消息，并在网络中经过一系列处理（此处忽略网络处理细节）。之后，你朋友的网卡从网络中获取到你发送的消息，并将该消息加载到内存中。
然后，你朋友的cpu从内存中获取消息并进行解包操作，将解包好的消息写回内存。最后，你朋友的显示器从内存中获取消息，并将其显示在他的电脑上。
体系结构相关知识
根据冯诺依曼体系结构，从硬件角度或数据层面来看，cpu只能直接与内存交互，外设也只能通过内存来进行数据交换。这也解释了为什么程序在运行之前必须先加载到内存中：因为可执行程序（文件）存储在硬盘上（外设），而cpu只能从内存中获取数据，所以必须先将程序加载到内存中才能执行。
在硬件层面上，各个硬件单元之间通过总线连接。外设与内存之间的总线称为i/o总线，而内存与cpu之间的总线称为系统总线。
在实际操作中，例如键盘输入，键盘会先将获取到的内容存储在自己的寄存器中，然后通过寄存器将数据写入内存。
这种体系结构确保了数据在各个硬件设备之间的有效交换和协作，同时提供了高效的数据传输和处理能力。
初始操作系统
定位
操作系统在计算机系统中的定位非常重要，它是控制和管理计算机硬件与软件资源的核心软件。
设计目的
操作系统之上之下分别有什么
首先，我们所看到的是计算机的实体部分，即底层的硬件。这些硬件看似单独罗列，实际上在底层都遵循冯诺依曼的组织结构。
除了硬件部分，单靠这些硬件是不够的，还需要软件来管理它们。例如，确定内存何时从输入设备读取数据、读取多少数据，以及何时将数据刷新到输出设备的缓冲区，是由软件来控制的。这个软件就是操作系统（operating system）。
在操作系统与底层硬件之间确实存在一层驱动层。操作系统不直接与底层硬件打交道，而是通过驱动程序来管理和控制硬件。例如，键盘有键盘驱动程序，网卡有网卡驱动程序，硬盘有硬盘驱动程序等。这些驱动程序负责直接与硬件通信，执行读取、写入以及获取硬件状态等操作。驱动程序通常由硬件制造商提供，或者由操作系统开发者针对特定硬件开发。
通过引入驱动层，操作系统不需要直接关心具体的硬件细节和操作方式。操作系统只需关注何时需要读取数据或执行操作，而不必关心这些操作是如何在硬件层面实现的，从而实现了操作系统与硬件之间的解耦。
在操作系统的顶层是用户层，这里我们可以通过命令行或图形界面进行各种操作。
为了保护自身安全性，操作系统不直接让用户访问其内部，而是通过一系列接口暴露给用户，这些接口被称为系统调用接口。
然而，对于普通用户来说，直接使用系统调用接口的成本较高，因为这需要对系统有一定的了解。因此，在系统调用接口之上，开发出了一批库，如libc和libc++。这些库实际上是对系统调用接口的封装，在语言级别上提供了各种函数（如printf和scanf），我们可以通过调用这些函数来编写各种程序。
管理精髓：先描述，再组织
要理解操作系统的管理概念，可以通过实际角色来解释。
举个例子：假设有三个角色，学生、辅导员和校长。在这个例子中，校长是管理者，学生是被管理者。那么，辅导员则充当中间角色，负责在校长和学生之间传递信息和执行指示，以确保学生得到适当的指导和支持。
深入思考后可以得出，完成任何事情通常需要经历两个关键过程：首先是决策阶段，即确定是否要做某件事以及如何做；其次是执行阶段，即实际去做这件事情。
在校长管理学生的例子中，校长作为管理者负责做出决策，确定学校的方向和政策。然而，校长不会直接执行这些决策，而是委派辅导员作为执行者来实施这些决策，确保学生按照学校规定的方向行事。
因此，辅导员的角色主要是执行者，负责执行管理者（校长）制定的决策和方针。
尽管我们很少在学校看到校长本人，但校长如何在没有直接接触我们的情况下管理我们呢？
实际上，学校对每位学生的各种信息进行管理，包括基本信息、成绩、健康状况等等。校长通过这些数据来做出决策和管理安排，而不必直接与每个学生互动。
每个学生的信息可以看作是一套数据，通过这些数据，校长能够有效地进行学生管理。在c语言中，我们将这种数据组织方式称为抽象结构体；而在c++中，则称为面向对象。
随着学生数量的增多，校长可以将所有学生的信息组织起来。组织的方式有多种选择，如链表、顺序表或树结构，每种方式都有其独特的优势。因此，就有了一门专门教授如何有效管理数据的课程，称为数据结构。例如，假设校长使用双链表来组织学生的信息。
在这种情况下，校长对各个学生的管理实际上就是对这个双链表进行增删查改操作。例如，当有新生时，直接将一个新的节点加入到双链表中；而当学生毕业时，直接从双链表中移除该学生的信息即可。
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