冯·诺依曼体系结构（von Neumann architecture）

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·诺伊曼体系。

这种体系结构的核心思想是将程序指令和数据存储在同一存储器中，并通过控制单元来协调各个部件的工作。

1. 输入设备（Input Devices）：

   • 这是用户与计算机交互的起点。输入设备可以是键盘、鼠标、触摸屏、网卡、磁盘、摄像头等，它们将用户的操作转换为数据信号，传送给计算机内部。

2. 存储器（Memory）：

   • 存储器是计算机的“记忆”部分，用于存储数据和程序指令。在冯·诺依曼体系结构中，数据和指令存储在同一存储器中，这意味着CPU可以读取存储器中的任何内容，无论是数据还是指令。（存储器就是内存，就是内存！！！我们喜欢称磁盘是外存，就是外部存储）

3. 运算器（Arithmetic Logic Unit, ALU）：

   • 运算器是执行所有算术和逻辑运算的核心部件。它执行加法、减法、乘法、除法以及逻辑运算（如AND、OR、NOT）等。

4. 控制器（Control Unit）：

   • 控制器是计算机的“大脑”，它负责解释存储器中的指令，并协调运算器、存储器和输入/输出设备的工作。控制器通过发出控制信号来指导其他部件执行特定的操作。

5. 中央处理器（Central Processing Unit, CPU）：

   • CPU是计算机的心脏，它包含了运算器和控制器。CPU负责执行程序中的指令，处理数据，并控制计算机的其他部件，当前的CPU就比较丰富了。

6. 输出设备（Output Devices）：

   • 输出设备是计算机与用户交互的终点。它们将处理后的数据转换为用户可以理解的形式，如显示器、打印机、扬声器、磁盘、网卡等。

7. 数据信号和控制信号：

   • 数据信号（红色箭头）表示在计算机内部流动的数据，如用户输入的数据、程序执行过程中产生的数据等。
   • 控制信号（黑色箭头）是控制器发出的指令，用于指导其他部件如何操作。

在冯·诺依曼体系结构中，程序的执行过程大致如下：

• 输入设备将用户的操作转换为数据信号，传送给存储器。
• 控制器从存储器中读取指令，解释指令，并发出控制信号。
• 运算器根据控制信号执行相应的运算。
• 运算结果可能被存储回存储器，或者通过输出设备展示给用户。

我们将所有的输入设备和输出设备统称为外设，输入将外设数据读到内存当中，输出将内存里的数据输出到对应的外设当中。在这里有两个设备比较特殊：网卡还有磁盘，我们谈一下磁盘：

在C/C++当中，我们进行文件读取的时候，读文件就是把磁盘里的数据读到内存当中，写文件就是把内存里的数据写到我们对应的磁盘上，我们将这种读写的动作称为IO(Input/Output)，所以这种设备不能严格来说的只是输出设备或者只是输入设备，有可能既是输入设备，也是输出设备，所以我们有IO的概念（IO概念的简单铺垫）

我们知道：

我们编译好的软件，他要运行，必须要先加载到内存，那么在程序运行之前，在哪里？

因为程序就是文件，程序就是我们编译好的，在指定路径下的二进制文件，所以在程序运行之前，是在磁盘上的。

因为CPU的获取，写入，只能从内存中来进行！软件运行其实是CPU执行我们的代码，访问我们的数据，这也是为什么我们编译好的软件，他要运行，必须要先加载到内存。这是由体系结构所确定的。（数据层面：外设->内存->外设，CPU<=>内存）（这也是为什么会有缓存区这一概念，printf为什么不会直接输出到外设）

还有一个问题：

我们为什么不直接从外设->CPU->外设呢？

这里我们需要了解一下：存储分级：

实际上我们计算机里有各种存储设备，寄存器是离CPU最近的，离得越近，存储空间越小，当然也越贵，效率当然也是越来越高。

直接从外设到外设没有CPU的存储分级体系参与，无法充分利用缓存等高速存储来优化数据传输和处理，导致数据传输效率低、处理复杂度高，而CPU的存储分级体系可以有效协调外设数据传输，提高系统整体性能。

这种体系结构的特点是简单、直观，易于理解和实现，但它也存在一些局限性，比如数据和指令的带宽共享可能导致性能瓶颈。随着技术的发展，现代计算机体系结构在冯·诺依曼体系的基础上进行了多种优化和改进。

操作系统（Operator System）

概念（是什么？）

一个基本的程序集合，称为操作系统(OS)，操作系统是一款软硬件管理的软件。

操作系统包括：

• 内核（进程管理，内存管理，文件管理，驱动管理）（狭义上的操作系统）
• 其他程序（例如函数库，shell程序等等）

设计OS的目的（为什么？）

1.软硬件体系结构是层状结构，体现的是高内聚，低耦合 ：

软硬件体系结构的层状结构通过将系统分解为具有明 确职责的层次，实现了高内聚，即每个层内部的功能紧密相关，专注于完成特定的任务。同时，这种结构也实现了低耦合，层与层之间的依赖性降低，它们通过定义良好的接口进行交互，从而减少了层间直接的相互影响。这种设计提高了系统的可维护性和可扩展性，使得各个层可以独立地进行开发和优化。

就是之前我们没有学习函数的时候，将代码全部写到main函数里面，这就不具有高内聚，低耦合的特点，之后，我们将main函数当成调用层，调用对象是函数体，就是实现层，这就具有了高内聚，低耦合的特性。

在我们电脑坏了的时候，正常情况下并不需要直接换电脑，而是换电脑的某个硬件，所以不仅仅在软件层面是有高内聚，低耦合的特性，在硬件层面上也是。 

2.访问操作系统，必须使用系统调用--其实就是函数，只不过是系统提供的。

在我们的软件层，出现了一个system call，操作系统不允许用户直接访问内存，直接读取进程，直接访问文件，直接读取驱动，操作系统他必须要求用户通过操作系统自己提供的一些C封装的接口来访问操作系统，这个接口称为系统调用。

我们的printf的本质是将我们的数据写到了硬件上，显示器！但是不是我们写的C程序直接直接写到了硬件上，因为我们整个计算机体系，不管是Linux还是Windows，都是层状的，我们自己做开发，我们使用C标准库中的方法，而我们用到的C标准库当中的方法，最终我们到达了将数据写到显示器上的客观事实，而我们是不可能绕过操作系统直接去到硬件的，所以本质上，printf这个函数，他的底层一定要封装系统调用，然后通过操作系统，对驱动进行访问，访问对应的驱动，然后才把我们的数据交到硬件上。像我们学过的scanf等等关于IO操作，文件操作的等，全部都要贯穿操作系统！！！

总结：我们的程序，只要你判断出他访问了硬件，那么他必须必须贯穿整个软硬件体系结构（上图）。还有，库可能在底层封装了系统调用。

如何理解管理

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，这也是操作系统的核心功能，“搞管理？？？”，那我们该如何去理解管理？

1. 管理的普遍性：无论是在学校还是企业，管理都是确保组织运作顺畅的关键。

2. 管理的层级结构：从校长到辅导员，再到学生，每个层级都有其管理职责，体现了管理的层级性。

3. 管理的组织结构：通过层级，管理涉及到对信息和资源的组织，确保从顶层到底层的有序流动。

4. 管理的实践：有效的管理需要清晰的结构和流程，正如学生信息节点的有序排列。

5. 管理与技术：在计算机领域，操作系统通过数据结构（如struct+链表等）来描述和管理硬件资源，体现了管理在技术实现中的重要性。（增删查改）

操作系统怎么管理所有硬件的？

每一个硬件都有硬件名，操作系统怎么管理硬件的，硬件名，硬件状态，硬件其他的属性，操作系统可以在自己操作系统内部先描述再组织，把网卡，硬盘，显卡，键盘，显示器统一可以使用struct_devise定义一个类，类里面可以包含每种硬件的各种属性，其中，我们的属性包括硬件的名称，硬件的状态，硬件相关的链接信息，所以在操作系统内，构建struct_devise这样的结构，每一个设备都要对应一个struct_devise这样的对象，把这样的对象管理起来，所以操作系统管理硬件转化成了对链表的增删查改。

操作系统怎么对进程做管理的？

目前，我们还没有学过进程，那么操作系统怎么对进程做管理？答案是：操作系统首先要对每个进程定义struct结构体对象，然后把进程相关的属性放在结构体里，里面添加属性，用链接节点将全部连起来，操作系统管理进程转化成对链表的增删查改。（对文件管理，网络管理完全是一样的先描述再组织）

所以如今管理就是先描述再组织，这也就是为什么我们学习的C++（还有Python,Java等等）会有类，STL的概念。类解决了先描述的问题，STL解决了再组织的问题！！！

系统调用和库函数概念

操作系统要向上提供对应的服务，但是操作系统，不相信任何用户或者任何人。

这句话就很矛盾：你不相信我，你还给我提供服务。这其实在现实生活中也有存在这种组织，就是银行。银行给我提供存钱，理财等的服务，但是银行是不相信我的，不相信我有这表现：

不让我进入银行后端的银库里面，不允许让我的钱放入他的盒子里面，我要取钱不能进入银行的仓库去取钱，万一我多拿了，那可怎么办？

所以银行会有一窗办理：

银行不相信我们任何人，但是需要给我们提供服务，所以有了一窗办理，也就是操作系统中的系统调用。

上文提及系统调用本质就是操作系统给我们提供的函数调用，比如我们未来将要学到的：

man fork
man waitpid
man socket 

这些都是操作系统为我们提供的系统调用，我们未来想要访问操作系统，获取操作系统中的数据，设置自己的信息等，全部都是通过系统调用完成的。

像我们的Linux/Windows/Mac OS等，基本都是由C语言写的，所以为我们提供的系统调用基本都是C函数。

既然是函数，那么大部分（60%~70%）有输入参数和返回值，那么输入参数就是用户提供给操作系统的，返回值对应的就是操作系统给用户的。实际上我们去银行取钱，要将需要的个人信息，物品通过窗口给到工作人员，这就相当于我们将参数传给银行内部的系统了，然后银行内部的系统，在自己的系统的运作之下，银行的系统内部会将结果返回，所以用户就成功取到了。（系统调用本质就是用户和操作系统之间进行某种数据交互）

• 在开发⻆度，操作系统对外会表现为⼀个整体，但是会暴露⾃⼰的部分接⼝，供上层开发使⽤，这部分由操作系统提供的接⼝，叫做系统调⽤。
• 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，有了库，就很有利于更上层用户或者开发者进⾏⼆次开发。

库函数和系统调用属于上下层的关系。