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冯诺依曼体系结构的介绍
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冯诺依曼体系结构的介绍
冯.诺依曼结构消除了原始计算机体系中只能依靠硬件控制程序的状况程序作为控制器的一部分作为硬件存在将程序编码存储在存储器中实现了可编程的计算机功能实现了硬件设计和程序设计的分离大大促进了计算机的发展。所以我们现在常用的计算机大多遵循冯诺依曼体系结构。
理解冯诺依曼体系结构
1现在计算机由五大基本硬件组成
存储器就是内存
输入设备键盘、摄像头、话筒、磁盘、网卡和鼠标等
输出设备显示器、播放器、磁盘、网卡等
运算器对我们输入的数据进行运算算术运算和逻辑运算
控制器读取内存中的指令翻译解析后向有关硬件发送控制命令
注意 a. 外设是输入设备和输出设备CPU包括运算器和控制器。 b. 有的设备是纯输入有的设备是纯输出有的则是既输入又输出例如磁盘和网卡。 c. U盘和磁盘是外存用来存放内存暂时用不着的程序和数据。 d. 不考虑缓存情况这里的CPU能且只能对内存进行读写不能访问外设外设要输入或者输出数据也只能写入内存或者从内存中读取。所有设备都只能直接和内存打交道。
问题1 为什么要有内存CPU不能直接从外设进行读取再输出到外设吗 a. 从存储的结构就可以知道外设离CPU远输出设备和输入设备与CPU的速度差距太大当输入设备还在慢吞吞输入数据时CPU早将数据处理输出到输出设备输出设备再慢吞吞输出数据CPU有太多空闲严重拖累了计算机的执行速度。 b. 内存的速度不也比CPU慢为什么还要链接内存内存的速度确实慢于CPU但两者间的速度差距远小于外设与CPU的速度差距。也就是说内存容量适中、速度适中是最优解。 c. 内存具有预加载的功能会预先将输入设备的数据加载到内存且当CPU在运算时内存也会不断地存储数据。这样CPU就会不断地从内存中读取和输出数据提高了计算机的执行速度。此时的内存就是硬件级别的缓存空间。
下面是计算机的存储金字塔。
问题2 一个程序要运行必须先加载到内存。为什么 简单回答 因为冯诺依曼体系结构规定。 详细回答 因为CPU只能从内存中读取数据不能直接从外设中读取数据。
2上面五大设备都是独立个体各个硬件单元必须用“线”链接起来这个线就是系统总线和IO总线。CPU与内存之间的是系统总线内存与外设之间的是IO总线。
3场景 请解释从登录上qq开始和某位朋友聊天开始数据的流动过程。 如果我想要传一个文件比如文档给我的朋友请画出数据流动的过程。 2. 操作系统
由冯诺依曼体系结构我们可以知道计算机有很多硬件这些硬件各有各的功能。这些功能什么时候执行谁先执行就需要一个逻辑来管理所以就有了操作系统。
什么是操作系统
操作系统是一组主管并控制计算机操作、运用和运行硬件、软件资源和提供公共服务来组织用户交互的相互关联的系统软件程序。 简单讲操作系统是一款进行管理硬件和软件的软件。
操作系统包括内核进程管理、内存管理、文件管理、驱动管理和其他程序例如函数库shell程序等等。
为什么要有操作系统
1操作系统帮助用户管理好下面的软硬件资源驱动和底层硬件。 2为了给用户提供良好稳定、高效、安全的运行环境。 注意 这里的用户是程序员而不是普通用户。因为普通用户不是直接使用操作系统而是使用程序员开发出来的软件。只要保证良好的运行环境程序员才能为普通用户创建更多的软件。
用户可以直接访问操作系统吗
操作系统是软件有大量数据但用户不能直接访问操作系统操作系统不相信任何用户。可是操作系统又要为用户提供各种服务所以操作系统就得提供接口让用户访问内部数据。这是怎么做到的
操作系统为了保证自己的数据安全又为了保证给用户提供服务操作系统以接口的方式给用户提供调用的入口来获取操作系统内部的数据。
拓展 操作系统是用C语言写的接口就是操作系统提供的、用C实现的函数调用这就是系统调用。 总结 所有访问操作系统的行为都只能通过系统调用完成。
计算机的层状结构
操作系统是如何进行管理底层的软硬件资源
1操作系统不直接访问底层的硬件而是通过驱动程序进行管理的。 2操作系统是管理者而硬件是被管理者。只要有被管理者的信息就能对被管理者做管理。就像在大学校长是管理者而学生则是被管理者校长不需要见学生就能对学生进行管理他是通过学生的学号等各种信息进行管理的。同样操作系统是对硬件的各种信息管理。
所以管理的本质是通过对数据的管理而不是对人硬件的管理。 3操作系统中是有大量的数据要如何对每份数据都进行管理比如在大学中要在整个年级中找出几名学生、新转学几名学生、退学几名学生我们可以将每个学生描述成一个结构体这个结构体中有学生的各种信息如姓名性别学号成绩等然后用一个链表把每个结构体链接起来。这样成功地将学生的管理工作转换成对链表的增删查改。
所以我们可以将底层设备构建成结构体先描述再用链表和其他数据结构链接起来再组织。
4操作系统中管理任何对象最终都可以转化成对某种数据结构的增删查改。 5最终答案先描述再组织。
