一、冯 • 诺依曼体系结构

1.1 冯 • 诺依曼体系结构推导

计算机的作用就是为了解决问题。首先需要将数据或问题输入到计算机当中，所以计算机必须有输入设备。计算机解决完问题后还需要将计算结果输出显示出来，所以计算机必须有输出设备。要将问题解决就需要用到中央处理器，其中运算器负责算术运算与逻辑运算，控制器控制具体的流程。

对应到C语言当中，算术运算就是了完成一系列的加减乘除，而逻辑运算就对应于一系列的逻辑与、逻辑或，控制功能就对应于C语言当中的判断、循环以及各个函数之间的跳转等等。

那么好似没有存储器(内存)这个结构也是可以的，如上图所示。但实际上并不是！！！

输入设备和输出设备相对于中央处理器来说是非常慢的，而根据木桶原理，那么最终整个体系所呈现出来的速度将会是很慢的。

于是就不让输入设备和输出设备直接与CPU进行交互，而在这中间加入了内存，最终形成了冯 • 诺依曼体系结构。

内存比外设速度快许多，但比又CPU慢。在冯 • 诺依曼体系结构中，内存就处于慢设备和快设备之间，能够起到缓冲作用。

冯 • 诺依曼体系结构运行流程: 用户输入的数据先存储到内存当中，CPU读取数据的时候就直接从内存中读取，CPU处理完数据后又写回内存当中，然后内存再将数据输出到输出设备当中，最后由输出设备进行输出显示。

1.2 内存提高效率

但先将输入的数据交给内存，再由内存将数据交给CPU，这个过程真的比CPU直接从外设中获取数据更快吗？

内存具有数据存储的能力。这也使得软件有了发挥的空间，譬如操作系统可以将可能使用的数据预先加载到内存，以此来提高效率。

同时CPU处理数据和内存加载数据是可以同时进行的。根据统计学原理，当某个数据被访问时，那么下一次有极大可能访问其周围的数据。所以当CPU处理某一数据时，内存可以将该数据周围的数据加载进来，这也使得计算机的效率更高。

输出数据时也是一样，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从内存中获取即可，此时CPU就可处理其他的事务(不需要等待外设处理)，从而提高效率。这也就有了我们平常所说的缓冲区的概念。

1.3 具体案例理解冯 • 诺依曼体系结构

分析两台电脑使用QQ发送信息的过程，忽略网络处理的细节从而简化模型

通过键盘输入信息并将消息加载到内存后，CPU从内存获取到消息后对消息进行各种处理，然后再将其写回内存，此时本地网卡就可以从内存获取已处理好的消息，然后在网络当中经过一系列处理，之后你朋友的网卡从网络当中获取到你所发的消息后，将该消息加载到内存当中，你朋友的CPU再从内存当中获取消息并对消息进行解包操作，然后将解包好的消息写回内存，最后你朋友的显示器从内存当中获取消息并显示在他的电脑上。

1.4 其他认识

◆ 常见输入设备：键盘、鼠标、网卡、硬盘、话筒、摄像头、扫描仪等
常见输出设备：显示器、音响、网卡、硬盘、打印机等
注意： 同种设备在不同场景下可能属于输入设备，也可能属于输入设备

◆ 站在数据层面上看，CPU只和内存打交道，外设也只和内存打交道。这也是为什么程序运行之前必须先加载到内存的原因。因为可执行程序(文件)是在硬盘上的，而CPU只能从内存中获取数据，所以必须先将硬盘上的数据加载到内存(即必须先将程序加载到内存)。

◆ CPU当中有寄存器，但寄存器不仅仅在CPU中存在，在其他外设当中也是有寄存器的。例如，当我们敲击键盘时，键盘先将获取到的内容存储在寄存器中，然后再通过寄存器将数据写入内存中。

◆ 在物理层面上，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为IO总线，内存与CPU之间的总线为系统总线

二、操作系统

2.1 操作系统概念

操作系统的定位: 操作系统其实就是一款进行软硬件资源管理的软件。

设计操作系统的目的：

1. 与硬件进行交互，管理所有的软硬件资源。

2. 为用户程序（应用程序）提供一个良好的执行环境。

2.2 操作系统的上下层

其实可以将将整个系统类比为一个银行系统进行理解。

底层硬件就是银行内的基础设施，如座椅、电脑、保险箱等。这些物品平时都是员工进行使用，使用这些硬件的员工我们就可以看作是驱动程序。

在一个银行系统里员工也是需要被管理的，管理员工的便是银行行长(操作系统)。而系统调用接口就像是银行提供的一个个窗口，可以供外面的顾客使用，顾客也必须通过系统调用接口才能访问内部，而不能直接操作内核、硬件等。

但在现实情况中，有些用户并不会使用窗口(第一次来银行的客户)，这时外面的工作人员就会询问你要办理什么业务，这些工作人员就可以看作是用户调用接口。工作人员了解到你要办什么业务后，会告诉你具体告诉你要如何领票排队、具体去哪个窗口。所以用户操作接口内部还是会调用系统调用接口的。

我们可以发现操作系统并不直接与硬件交互，就像行长不会修电脑。但是为什么要设计成这样呢？

譬如，若操作系统自己来完成键盘的读取操作，那么只要键盘读取方式发生了改变，那么操作系统的内核源代码就需要进行重新编写，这对操作系统来说维护成本太高了。
于是在操作系统与底层硬件之间增加了一层驱动层，驱动层的主要工作就是单独去控制底层硬件。例如，键盘有键盘驱动，网卡有网卡驱动，硬盘有硬盘驱动，磁盘有磁盘驱动。驱动简单来说就是去访问某个硬件，访问这个硬件的读、写以及硬件当前的状态等等，驱动层就是直接和硬件打交道的。而驱动一般是由硬件制造厂商提供的，或是由操作系统相关的模块进行开发的（例如网卡）。
此时操作系统就只需关心何时读取数据，而不用关心数据是如何读取的了，也就是完成了操作系统与硬件之间的解耦。