Linux--3.冯诺依曼体系与操作系统概念
操作系统(Operator System)
冯诺依曼体系结构
在我们开始学习操作系统的过程中，我们是绕不开冯诺依曼体系结构的，那么什么是冯诺依曼体系结构呢？
我们常见的计算机，如笔记本，台式机，不常见的计算机，如服务器等，大都遵守冯诺依曼体系
上面的图就是最基础的冯诺依曼体系结构，我们对其中很多设备先进行解释
输入设备：键盘，鼠标，摄像头，麦克风，网卡，硬盘...
输出设备：显示器，声卡，喇叭，网卡，硬盘....
我们的输入输出设备可以统称为外部设备，外设，这里我们的储存器，就是我们的内存，包含（运算器，控制器）的中央处理器就是我们的CPU
在这个体系中我们可以发现，输入设备输入数据，先传输给内存，而后内存再将数据传输给CPU进行处理，处理完毕后再将数据返回给内存，而后内存将数据传递给输出设备进行输出，而这一系列的设备的操作，都是由控制器来控制的，控制数据何时流入，何时处理，何时流出等，在我们之前的学习我们知道，我们的CPU储存效率很高，处理数据速度很快，那为什么我们不直接将输入设备输入的数据给到CPU处理，然后直接给输出设备输出呢？这样数据传输不就更快了吗？
要想回答这个问题，我们就需要了解一下储存设备了
在这个图中，罗列了我们的储存设备，以及关系层次，我们可以看到，我们的寄存器（也就是CPU中的运算器），容量最小，价格最为昂贵，其次是CPU中的三级缓存，容量依次降低，在然后才是我们的内存，也就是我们冯诺依曼体系中的存储器，后面就是我们的硬盘光盘磁带等
CPU--寄存器 纳秒级存储效率
内存--微秒级存储效率
硬盘 SDDFlash --毫秒级存储效率
光盘磁带等速度更低
我们可以发现，距离CPU越近，存储效率越高，单价成本越高且容量一般较小，那么此时我们再来回顾一下冯诺依曼体系，若是没有我们的内存又会是怎么样的呢？因为输入输出设备距离CPU距离很远，所以他们的传输数据的效率相对于CPU很低，此时输入设备输入数据，CPU很快处理完成，将数据给到输出设备，而此时输入设备因为速度很慢，后面的数据慢慢的来，CPU又一下子处理完成了，输出设备也是慢慢的输出，这就导致了CPU处理效率被很大程度的浪费了，这就如同我们的木桶原理一样，输入输出设备很慢，CPU很快，展示到我们用户面前的整体效率，就由最慢的输入输出设备决定，也就很慢，而我们的内存（使用掉电易失性存储介质）存储速度是比较快的，相对于硬盘等，所以我们引入了内存提前储存数据，我们可以通俗的理解为，速度快的内存在给速度慢的输入输出设备做缓存，先对数据进行了预加载，而后以内存的速度将数据给到CPU进行运算，运算完成后再写回内存，内存再将数据以内存的速度给到输出设备输出显示，于是就形成了我们的冯诺依曼体系
内存提高冯诺依曼体系结构效率的方法
在我们拥有了内存这个“缓冲设备”之后，他是如何来提高我们整体结构效率的呢？
首先我们知道，内存具有数据的储存能力，其大小通常为4G/8G,虽然大小并不多，但是其有了这点大小也就拥有了预装数据的能力，因为这一点，才让其拥有了提高效率的能力，主要的实现其实是依靠我们的局部性原理，根据统计学的原理，当一个数据被访问时，其下次访问有很大概率访问其周围数据的值，所以当我们的CPU获取某一个数据时，内存就可以将该数据之后的一部分数据加载进来，而因为CPU与内存是可以同时工作的，这样CPU就可以很方便的从内存中获取数据进行处理
我们的输出也是一样的，CPU处理完的数据放回内存，当输出设备需要数据时再从内存中直接获取，这也就是我们的缓冲区的由来，当内存中设定的缓冲区满了，就输出这部分内容，满了就输出，不满就继续存储
其实站在数据层的角度上来看CPU不和外设打交道，直接和内存进行打交道，而站在外设角度，数据不和CPU打交道，直接和内存打交道，内存是计算机数据的核心
冯诺依曼体系的几点总结
数据从外设传输到内存，传输到什么位置，这些工作都是由我们的OS操作系统完成的
CPU与外设不互相直接接触，而是通过内存
控制器操控所有设备进行操作
操作系统
操作系统概念
操作系统是一款做软硬件管理工作的软件（硬件：冯诺依曼中的所有设备。软件：1.安装软件，卸载2.在系统层面，文件，进程，驱动）
任何计算机系统都包含一个基本的程序集合，称为操作系统 (OS)。笼统的理解，操作系统包括：内核（进程管理，内存管理，文件管理，驱动管理）其他程序（例如函数库， shell 程序等等）
设计OS的目的
与硬件交互，管理所有的软硬件资源为用户程序（应用程序）提供一个良好的执行环境
其实，我们的计算机就是由一大堆计算机底层的硬件构成的，而这些零零散散的计算机硬件，却实际都遵循着冯诺依曼的组织形式，而要实现对这些零散的硬件进行有秩序的管理，就需要一个可以统筹在整个硬件层面上的一款软件，而这个软件，就是我们的OS操作系统
这就是操作系统管理软硬件的框架，我们可以看到，我们的操作系统是在逻辑中间的，之上，是用户层的软件操作，软件操作接口，以及系统调用接口，之下，就是我们的驱动程序，而驱动程序之下，就是我们控制的各类硬件设施
操作系统在这些软硬件之间完成着他们的管理，主要可以分为下列部分
- 内存管理：内存分配、内存共享、内存保护以及内存扩张等等。
- 驱动管理：对计算机设备驱动驱动程序的分类、更新、删除等操作。
- 文件管理：文件存储空间的管理、目录管理、文件操作管理以及文件保护等等。
- 进程管理：其工作主要是进程的调度。
而我们如果想更深刻的理解操作系统对与软硬件的管理，我们可以将其类比成我们所熟知的学校管理体系
管理：先描述，再组织
对于我们的学校管理体系而言，我们的学生，就像我们的各个软硬件设施一样，我们的操作系统，就如同我们的校长一样，具备决策的能力，而要完成对整个学校的管理，管理学校上万名师生，仅仅拥有决策的角色是远远不够的，为了方便完成对学校学生的管理，所以就出现了我们的执行层（各类驱动），辅导员，宿管阿姨等，我们在学校可以感受到，与我们直接接触的都是辅导员与宿管阿姨，这些规则，策略的执行者，但是学校的很多决定，制度，都是由校长（决策层）制定的，而我们是没办法直接接触到校长的（除过某些特殊情况），这也就是对应的我们操作系统通过驱动去管理软硬件的过程
那如果我们的校长想要去查看学生的信息呢？此时就需要将学生的信息存储起来，而这一套抽象的信息就化为了结构体/C++中的对象，当学生的数量多了起来，我们就通过数据结构，链表，数组，栈，树等来进行存储，而我们去学习数据结构，也正是为了学习去如何管理数据，管理也正是先通过信息描述，然后再将多个被管理者的信息结构利用数据结构组织起来，最后转为了对数据结构的管理