深入篇【Linux】学习必备：认识冯诺依曼系统+理解操作系统(‘‘管理‘‘)

Ⅰ.冯诺依曼系统结构

1.特点(what)

我们认识的计算机，都是由一个个的硬件组成的。

1.首先需要理解的是这里的存储器是什么？
存储器就是内存。
要注意比如磁盘U盘等不是内存，而是外存。

2.输入设备都有哪些呢？
键盘，鼠标，摄像头，话筒，磁盘，网卡。
其中当从磁盘中读取文件(数据)时，磁盘就属于输入设备。
当从网卡中读取信息时，网卡就属于输入设备。

3.输出设备都有什么呢？
显示器，打印机，播放器，磁盘，网卡。
其中当从磁盘中写入文件(数据)时，磁盘就属于输出设备。
当从网卡中发送信息时，网卡就属于输出设备。

4.输入设备与输出设备构成外设。

5.中央处理器(CPU)由两个硬件组成：运算器与控制器。
运算器：对输入的数据进行计算任务(算术运算，逻辑运算)
控制器：对我们的计算机硬件流出进行一定的控制

6.各个硬件单元必须要用"线"链接起来，这个线称为总线。
存储器与CPU之间交互的线称为系统总线。
外设与存储器之间交互的线称为IO总线。

对应冯诺依曼体系我们要重点记住它的特点：
1.不考虑缓存情况，这里的CPU接收或发送数据，只能从内存中读取或写入，不能直接访问外设。
2.外设要输入或输出数据，只能先写入内存或者从内存中读取。
总之，所有设备都只能直接与内存打交道。

2.理解(why)

我们可以从存储和效率两个方面来解释为什么。
1.一般这些设备都是具有存储能力的。
并且一般容量越大速度就越慢，离CPU就越远，所有存储是分级的。

2.不能CPU直接与外设进行交互，因为它们的速度差太大了，根据木桶效应，最终的效率是取决于最差的传播效率的。所以如果CPU直接与外设进行交互，那么最终的效率就取决于外设的传播效率了。
所以为了适存，将内存放在它们之间作为过渡，因为内存的效率要比外设快的多，这样就可以提高效率了，也就是最终以内存的效率为主体。

3.内存可以作为硬件级别的缓存空间，输入设备输入数据时，可以先预存到内存里，当CPU忙完时，就直接可以从内存中获取数据直接计算，不需要等外设再输入到内存中了。所以说CPU是可以一遍加载，一边计算的，这个工作是由操作系统来完成。

3.案例(how)

1.我们在写代码，形成可执行程序时，可能经常听到这样一句话，一个程序要运行，必须要先加载到内存中才可以运行。
现在我们可以理解这句话真正的意思了，代码其实也就是数据，而数据想要被采集计算，就要先加载到内存中，才可以被CPU接收，然后输出数据给内存，内存再将数据写入外设中。
这正是冯诺依曼体系规定的。
2.对冯诺依曼的理解，不能停留在概念上，要深入到对软件数据流理解上。
比如，当你登上QQ开始和你的朋友聊天，这个过程之间数据是如何流动的呢？

①首先我们要理解QQ其实就是一个软件，一个程序，程序中都是数据，要想执行这个程序，也就是登上QQ，必须要将QQ加载到内存里。而

②在你发送信息的过程中，你的键盘作为输入设备，将信息数据输入到内存中，由CPU处理再返回到内存中，然后从内存中将数据写入到网卡中(往网卡写入数据)。
③通过网络，你的朋友在QQ上接收到了信息。
④而你的朋友在收到信息的过程中，它的网卡相当于输入设备(从网卡中读取数据),数据加载到内存，经CPU处理，最终到了他的显示屏上去。

再比如，当你登上QQ，发送一个文件给你的朋友，这个过程中数据是如何流动的呢？

①将文件发送给朋友这个过程，文件是在磁盘中的，所以要从磁盘中读取文件，磁盘也就作为输入设备，将文件数据加载到内存中，经CPU处理，返回给内存，最后从内存中写入到网卡中，网卡就作为输出设备了
②你的朋友在QQ端接收到文件，并下载下来的过程中，网卡作为输入设备，因为要从网卡中读取发送过来的文件数据，然后加载到内存中，经CPU处理，返回到内存中，可能有的人会想这个文件最后就是在内存中了，并不是的，我们知道，接收的文件关闭电脑后打开还是在的，但CPU内存是关机后数据就不存在了，所以最终文件并不在内存中，而是从内存中写入到了你的磁盘里。

Ⅱ.操作系统概念与定位

1.概念(what)

1.任何操作系统都包含一个基本的程序集合，称为操作系统OS。
操作系统包括：
①内核(进程管理，内存管理，文件管理，驱动管理)
②其他程序(函数库，shell程序等)

2.操作系统就是一款进行管理的软件！
不仅可以管理一堆硬件还管软件。
管理软硬件的方法就是提供一系列接口，计算机硬件与其他软件接口，用户和计算机的接口。

2.设计OS目的(why)

1.操作系统可以帮助用户管理好下面的软硬件资源。
2.为了给用户提供一个良好(稳定，高效，安全)的环境。
所以，操作系统通过管理好底层的软硬件资源(手段)，为"用户"提供一个良好的执行环境(目的)。

这里的用户可以分为普通用户，和程序员。
其他普通用户用的也不是操作系统，而是由程序员在操作系统上开发的各种软件程序。所以更进一步的来说，这里的用户更多的是程序员。因为操作系统使用上很困难，普通用户不可能直接使用操作系统。用户使用的更多的是基于程序员开发的软件。

3.管理(how)

1.操作系统如果要管理底层硬件，必须要有对应的驱动程序，才可以进行交互，不然无法交互。
2.操作系统如果想管理上层软件，需要使用系统调用接口来配合。

①操作系统里面，有各种数据，但是操作系统不相信任何用户，因为有点用户不怀好意，不允许用户随便更改他的数据和代码，所以操作系统决定要将自己封装起来。
②但操作系统一旦将自己封装起来，那么用户就无法使用，操作系统存在的意义就没有了，所以操作系统为了操作自己数据安全，也为了保证给用户能提供服务，操作系统以接口的方式给用户提供调用的接口，用户就可以获取操作系统内部的数据了。
③这些接口是操作系统提供的用C实现的，自己内部的函数调用----调用这些接口的行为称为系统调用。
④所有服务操作系统的行为，都只能通过系统调用完成！没有其他方式访问。
⑤系统调用的使用上来说，对于普通用户还是很困难，因此，有些开发者就对于部分系统调用进行适度的封装，进而形成了库。也就是说，库函数底层封装着系统调用的接口，这也是为什么库会在系统调用的上面。

3.操作系统与硬件是不需要直接进行交互的------那操作系统是如何管理硬件的呢？
操作系统只要能够得到硬件的相关消息，就可以在未来进行管理决策，所有管理的本质就是通过对数据的管理，达到对硬件的管理，而操作系统是如何拿到硬件的数据的呢？
通过驱动程序来获取硬件的数据！
4.但如果当获取的数据量太大了，就很难进行管理了，这该怎么办呢？
操作系统是这样做的：

①对要管理的的对象进行描述，通过对象的各种属性来设计一个结构体。也就是这个结构体里面都是该类对象的各种属性。通过属性的不同分类出不同的对象。
②将对象描述出来后，就将这些对象组织里来，可以使用链表将这些对象连接起来。
这样，操作系统就成功的对底层硬件的管理工作，转化成了对链表的增删查改。

【总结】计算机如何管理硬件，可以总结出6个字：先描述，再组织。
在操作系统中，管理任何对象，最终都可以转化成为对某种数据结构的增删查改。而操作系统包含了内存管理，文件管理，进程管理，驱动管理，这就注定了操作系统里，一定存在着大量的数据结构！

1.先描述起来，用struct结构体描述对象的各种属性。
2.再组织起来，用链表等其他数据结构将对象组织起来。