1.冯诺依曼体系结构介绍

冯诺依曼体系结构如下：

在上图中「输⼊设备」和「输出设备」⼀般被称为计算机的外设，⽽「存储器」在冯 诺依曼体系结构中表示「内存」

输⼊设备⼀般包括：⽹卡、磁盘、键盘、触摸屏等

输出设备⼀般包括：⽹卡、磁盘、⿏标、触摸屏、显示器（⾮触摸屏）等

1.2内存的作⽤

「内存」是中央处理器与计算机其他设备的桥梁，因为CPU的处理速度相当得快，以 ⾄于如果没有「内存」，就会导致类似「磁盘」等外设因为其速度远远⼩于CPU从⽽ 拖慢整机性能

「内存」本质不永久存储任何数据，其速度快于「磁盘」，但慢于CPU，当需要进⾏ 数据的读取时，⾸先数据会从「输⼊设备」上读取数据到内存中，再从「内存」到 CPU进⾏相关处理，如果处理完的数据需要写⼊到输出设备时，此时CPU会将数据写 ⼊「内存」，再从「内存」写⼊到输出设备

1.3内存or磁盘

「内存」虽然速度不快也不慢，但是「内存」并不可以直接替代硬盘的位置，⾸先 CPU也不可以直接从「硬盘」读取数据，其次「内存」中的数据断电后就会消失（属 于易失性存储器，volatile storage），⽽「硬盘」中的数据会在⽣命周期内永 久保存（属于⾮易失性存储器，nonvolatile storage）

1.4计算机中的存储设备

在计算机中，有下⾯的存储⾦字塔结构：

在计算机的存储体系中，存在着不同类型的存储器，它们在速度、价格和数据易失性等方面有着各自的特点。

首先，速度最快且价格最高的存储器是 “寄存器（registers）”，它属于易失性存储器。寄存器是计算机处理器内部用于暂存数据和指令的高速存储单元，其访问速度极快，能够在极短的时间内完成数据的读取和写入操作。然而，由于其制造工艺复杂且容量极小，成本也就相应地非常高。

其次是 “缓存（cache）”，它同样是易失性存储器，但速度和价格都仅次于寄存器。缓存的作用是为了缓解处理器与主内存之间的速度差异，它可以快速地为处理器提供所需的数据，减少处理器等待数据的时间，从而提高计算机的整体性能。

接着是 “内存（main memory）”，也是易失性存储器。内存是计算机中用于存储正在运行的程序和数据的重要部件。虽然它的速度比寄存器和缓存慢，但仍然能够相对快速地与处理器进行数据交互。

在易失性存储器之后，是非易失性存储器。其中，较为常见的是 NVM（Non - volatile Memory）存储器。在现代计算机中，闪存（固态硬盘就属于其中一种）是 NVM 存储器的常见形式。此外，还有电可擦可编程只读存储器（EEPROM）和铁电随机存取存储器（FRAM, Ferroelectric Random Access Memory）等。NVM 存储器的特点是在断电后数据仍然能够保存，这使得它在存储需要长期保存的数据方面具有重要作用。

再往下看，“硬盘（hard - disk drives）” 也是一种非易失性存储器。在相同存储容量的情况下，硬盘的造价通常比 NVM 存储器低，但它的速度相对较慢。硬盘通过磁头在磁盘表面读写数据，其机械结构决定了它的数据访问速度相对较慢。

最后，排在存储体系第三层的是 “光盘（optical disk）” 和 “磁带（magnetic tapes）”。曾经，它们在数据存储和备份方面有着广泛的应用，但随着技术的发展，对它们的需求已经不如过去那么普遍。光盘通过激光在盘片上读写数据，而磁带则通过磁头在磁带上记录数据。它们的存储容量较大，但数据访问速度相对较慢，更适合用于大容量数据的长期存储和备份。

总之，计算机的存储体系是一个多层次、多类型的结构，不同的存储器在速度、价格、容量和数据易失性等方面相互补充，共同满足计算机系统对数据存储和访问的需求。随着技术的不断进步，存储器的性能和特点也在不断发展和变化，以适应日益增长的计算需求和数据存储需求。

1.5⽹卡输出or输⼊设备

从宏观的⻆度来看，许多⼈认为⽹卡是输⼊设备，因为我们需要使⽤⽹卡来接收⽹络 信号（例如Wi-Fi），但其实⽹卡即是输出设备也是输⼊设备

例如：当⼀个⼈通过电脑上的聊天平台软件（例如QQ、微信等）向另⼀个⼈发送消 息，在这⼀过程中⽹卡就扮演着输出和输⼊设备两个⻆⾊

对于发送者来说，发送者在其电脑打开聊天平台软件，该软件的相关代码和数据 就会从「磁盘」加载进⼊「内存」，CPU从「内存」中读取代码转换成指令执⾏ 程序，此时发送者将其想发送的消息输⼊到聊天软件⽂本框后点击发送，此时 CPU会将数据写⼊「内存」，再由「内存」中的软件将发送的消息写⼊到「⽹ 卡」，通过「⽹卡」发送到⽹络。此过程中「⽹卡」就是输出设备

对于接受者来说，当接受者打开聊天平台软件，该软件的相关代码和数据就会从 「磁盘」加载进⼊「内存」，CPU从「内存」中读取代码转换成指令执⾏程序， 「⽹卡」设备从⽹络接收数据，此时「⽹卡」设备就是输⼊设备，「⽹卡」将其 读取到的信息加载到「内存」，由对应的聊天软件接收并由CPU进⾏处理，再发 送给「内存」，由「内存」写⼊显示器显示到接受者的显示器上

通过上⾯的例⼦和介绍，可以基本了解到，计算机中的数据流转实际上是数据在各种 设备间的来回拷⻉，⽽拷⻉的效率基本可以认为就是计算机的效率

2.操作系统基本认知

操作系统本质是通过对计算机硬件的管理从⽽达到⽤户可以更⾼效、便利地使⽤计算 机。⽤户可以通过操作系统提供的接⼝⽅便得操作计算机硬件，例如写⽂档等。

下⾯从两个⽅⾯浅谈⼀下可以⼈机交互的操作系统（不包括嵌⼊式计算机embedded computers的系统）

2.1 系统层面

系统层⾯：从计算机的⻆度来看，操作系统是与硬件联系最紧密的软件，⽽这 其中最重要的就是操作系统内核，计算机在解决⼀个问题时需要⼀些资源，例 如：CPU时间、内存空间、存储空间、I/O设备等，⽽操作系统在这⼀过程中扮 演的⻆⾊更像是⼀个管理者，管理计算机硬件之间的交流和资源

2.2 用户层面

⽤户层⾯：前⾯提到对于⽤户来说，操作系统提供了接⼝便于⽤户操作计算机 硬件。⽤户所看到的计算机可以简单理解为⼀个屏幕、⼀个键盘和⼀个⿏标， 当需要使⽤计算机时，对应的操作使⽤对应的设备即可，此时操作系统对于⽤ 户来说更多得是为了⽤户更好的使⽤体验，所以这⼀层⾯上，⼀款操作系统的 好坏取决于⽤户的使⽤感受

操作系统在整个计算机的组成中所处的位置如下图所示：

下⾯从这两个层⾯切⼊，具体谈操作系统的地位：

2.1.2 系统层面的地位

系统层⾯：操作系统提供⼿段管理计算机硬件

操作系统通过驱动管理硬件：

从系统层⾯，⾸先从对于底层硬件来说，计算机中所有的硬件都需要对应的驱动，⽽ 操作系统管理这些硬件的⽅式就是通过对应的驱动。前⾯提到，操作系统在管理硬件 时更像是⼀个管理者的⻆⾊，那么为了能够管理计算机硬件，操作系统就会做出决策 （类似于⼀个管理者发号施令），通知对应的驱动，驱动根据操作系统的决策执⾏对 相关硬件进⾏管理。

2.1.3.操作系统采用数据结构管理驱动

但是这⼀过程中存在⼀个问题，那就是如果硬件数量⼤，需要的驱动数量也就会变 ⼤，那么操作系统直接对所有驱动进⾏管理就会影响整体的效率，为了解决这个问 题，操作系统采⽤了⼀种抽象的思路，即将同类型的设备进⾏归类，因为同类型的设 备驱动基本上都有某些共同的特点，所以此时可以考虑将共性字段抽取，放在⼀个结 构体中，每⼀个结构体中根据驱动⾃⼰的值填写到对应结构体的字段中，⽽操作系统 只需要使⽤⼀种数据结构，将所有驱动对应的结构体进⾏链接管理即可

例如，假设操作系统使⽤的数据结构是链表，那么操作系统针对于每⼀种功能管理 （例如驱动管理）只需要⼀个头结点，具体类型的驱动对应的结构体依次进⾏链接， 在需要某⼀种驱动时，只需要依次遍历该链表即可拿到对应的驱动进⾏相关的进⾏决 策与操作执⾏

3.先描述，再组织

从上⾯的例⼦可以看出，操作系统要管理⼀种硬件，最优的解决⽅案就是先抽象出该 驱动的特点，将其归类到某⼀种驱动结构体，该结构体再通过相关数据结构的特点进 ⾏链接，最后通过对应的数据结构进⾏管理。这⼀过程也可以被概括为：先描述，再 组织

对于操作系统的其他管理，例如内存管理、进程管理等也是使⽤类似的⽅式

4.数据结构与面向对象的重要性

从这⼀过程也可以看出，之所以要有数据结构，也是为了更好得管理数据，⽽之所以 需要⾯向对象，也是为了抽取零散数据的共性从⽽达到更⽅便的管理

4.2.⽤户层⾯：操作系统提供接⼝⽅便⽤户使⽤

⽤户使⽤操作系统，操作系统必须提供功能，但是操作系统不能完全将⾃⼰暴露给⽤ 户，否则会导致整机出现问题，所以操作系统需要满⾜两个特点：封闭且开放

封闭：表示操作系统的内核对于⽤户来说必须是封闭的

开放：表示操作系统必须提供合适的结构给⽤户使⽤

操作系统具有的部分如下图所示：

前⾯已经提到了内核中操作系统的地位，接下来考虑系统调⽤接⼝

系统调⽤接⼝是操作系统开放性的最根本的体现，因为这个接⼝与操作系统内核最接 近，这种接⼝在使⽤层⾯上也会更加繁琐，学习成本也会更⾼，更加需要使⽤者深⼊ 了解操作系统，⽽为了降低这种学习和使⽤上的成本，系统调⽤接⼝外还有⼀种接⼝ 称为：⽤户操作接⼝，这种接⼝⼀般是对底层系统调⽤接⼝进⾏⼀定的封装，便于使 ⽤者调⽤，例如C语⾔中的 fopen 函数封装了 open 函数等，图形化界⾯也属于⽤户 操作接⼝，因为图形化界⾯本质是操作对应指令，⽽指令被操作系统接收就是执⾏对 应的操作，也就间接调⽤系统接口