【Linux】冯 • 诺依曼体系结构&&初步认识操作系统

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冯•诺依曼体系结构

首先需要将数据或是问题输入到计算机当中，所以计算机必须要有输入设备。计算机解决完问题后还需要将计算结果输出显示出来，所以计算机必须要有输出设备。计算机通过输入设备得到数据，数据在计算机当中进行一系列的算术运算和逻辑运算后，通过输出设备进行输出。

但是计算机当中只有算术运算功能和逻辑运算功能是不够的，还需要有控制功能，控制何时从输入设备获取数据，何时输出数据到输出设备等。对应到C语言当中，算术运算就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等，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。

而我们后人就将这个具有算术运算功能、逻辑运算功能以及控制功能的这个模块称为中央处理器，简称CPU。

但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，于是在当前这个体系整体呈现出来的就是，输入设备和输出设备很慢，而CPU很快，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。

所以当前这个体系结构显然是不合适的，于是我们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。

内存有个特点就是，比输入设备和输出设备要快很多，但是比CPU又要慢。现在内存就处于慢设备和快设备之间，是一个不快也不慢的设备，能够在该体系结构当中就起到一个缓冲的作用。
现在该体系的运行流程就是：用户输入的数据先放到内存当中，CPU读取数据的时候就直接从内存当中读取，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。于是就形成了最终的冯诺依曼体系结构。

注意： 这里存储器只是内存，不包括外存。

内存提高冯•诺依曼体系结构效率的方法

在这里大多数人有一个疑惑就是，先将输入设备的数据交给内存，再由内存将数据交给CPU，这个过程真的比CPU直接从输入设备获取数据更快吗？

说明这个问题之前，我们首先需要知道：内存具有数据存储的能力。虽然内存的大小只有4G/8G，但是既然内存有大小，那么它就有预装数据的能力，而这就是提高该体系结构效率的秘诀。

局部性原理：根据统计学原理，当一个数据正在被访问时，那么下一次有很大可能会访问其周围的数据。所以当CPU需要获取某一行数据时，内存可以将该行数据之后的数据一同加载进来，而CPU处理数据和内存加载数据是可以同时进行的，这样下次CPU就可以直接从内存当中获取数据。

输出数据的时候也一样，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在内存当中获取即可，这也就有了我们平常所说的缓冲区的概念。例如，缓冲区满了才将数据打印到屏幕上，使用fflush函数将缓冲区当中的数据直接输出之类的，都是将内存当中的数据直接拿到输出设备当中进行显示输出。

与冯•诺依曼体系结构相关的一些知识

根据冯诺依曼体系结构图，我们可以知道，站在硬件角度或是数据层面上，CPU只和内存打交道，外设也只和内存打交道。为什么程序运行之前必须先加载到内存？

因为可执行程序（文件）是在硬盘（外设）上的，而CPU只能从内存当中获取数据，所以必须先将硬盘上的数据加载到内存，也就是必须先将程序加载到内存。

常见的输入设备和输出设备：

输入设备：键盘、鼠标、网卡、硬盘、话筒、摄像头、扫描仪等。
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。

我们经常说CPU当中有寄存器，实际上寄存器不仅仅在CPU当中存在，在其他外设当中也是有寄存器的。例如，当我们敲击键盘时，键盘是先将获取到的内容存储在寄存器当中，然后再通过寄存器将数据写入内存当中。

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叫做IO总线，内存与CPU之间的总线叫做系统总线。

操作系统

简单来说，操作系统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

与硬件进行交互，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。

操作系统之上之下分别有什么

首先，我们肉眼可见的就是计算机实物，也就是计算机底层的硬件。这些硬件看似是一个个罗列出来的，但实际在底层都遵守冯诺依曼的组织形式。

而单单只有这些硬件是不够的，还需要有一个软件来对这些硬件进行管理。例如，内存何时从输入设备读取数据？读取多少数据？内存何时刷新缓冲区到输出设备？是按行刷新还是全刷新？这些都是由软件进行管理的，而这个软件就是操作系统（Operator System）。

那么操作系统直接和底层硬件打交道吗？

如果操作系统自己来完成键盘的读取操作，那么只要你的键盘读取方式进行了改变，操作系统的内核源代码就需要进行重新编译，这对操作系统来说维护成本太高了。

于是我们又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的。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。

那操作系统究竟管理些什么呢？操作系统主要进行以下四项管理：

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。

而操作系统再往上就是我们所处的位置，在这里我们就可以用命令行或是图形化界面进行各种操作，这一层被称为用户层。

但操作系统为了保护自己，对上只暴露了一些接口，而不会让用户直接访问操作系统，这一系列接口被称为系统调用接口。

但这些系统调用接口对我们普通用户来说使用成本又太高了，因为要使用系统调用前提条件是你得对系统有一定了解。所以在系统调用接口之上又构建出了一批库，例如libc和libc++。实际上在语言级别上使用的各种库，就是封装了系统调用接口的，我们就是通过调用这些库当中的各种函数（例如printf和scanf）进行各种程序的编写。

管理的精髓：先描述，再组织

要想学好操作系统，那么就必须正确理解到底什么是管理。

这里我们举一个实际的例子来谈谈管理，现在给出三个角色：学生、辅导员和校长。很明显，校长在这三个人当中是管理者，学生是被管理者，那么辅导员充当什么角色呢？

仔细想想，实际上完成任何一件事都要经过两个过程，首先是决定要不要做这件事或是如何做这件事（决策），然后就是去做这件事情（执行）。校长作为管理者来管理学生，校长实际上就是那个做决策的人，但是校长作出决策后并不需要自己来执行，而是让辅导员去执行，所以辅导员的主要任务就是执行管理者的决策，我们通常将其称为执行者。

虽然说校长是管理学生的，但是我们在学校一般情况下是看不到校长本人的，那么校长是如何做到在不看到我们的情况下对我们进行管理的呢？

举个例子，现在校长要求辅导员将计算机成绩排名前十的学生的各科资料以及平时表现记录拿过来，从这十名同学之中选出三名学生参加本次的编程大赛，当辅导员将资料拿来后校长选出三名学生说：“就这三个了，你找个老师对这三名学生进行一下强化训练，然后参加本次的编程大赛。”然后校长就什么也不管了。

在这个过程中，校长根本没有见过这三名同学，就对其进行了管理，他根据的是什么？没错，他根据的是数据。

实际上，学校将我们每个学生的各种信息都进行了管理，基本信息、成绩信息以及健康信息等等。

每这么一套信息就描述了一名学生，校长通过对这些信息的管理就能做到对学生的管理。这么一套信息在C语言当中我们称之为抽象结构体，而在C++当中又叫做面向对象。

当学生的数量多起来了，校长就可以将全部学生的信息组织起来，当然组织的方式有很多种（链表、顺序表、树），而每种组织方式都有其自己的优势，于是就有了一门课程专门教我们管理数据的方式，那就是数据结构。这里我们假设校长以双链表的形式将学生的信息组织起来。

此时校长对各个学生的管理，实际上就变成了对这个双链表的增删查改。当有新生时直接向该双链表加入一个结点，当学生毕业后直接将学生信息从该双链表当中移除即可。

总结： 管理者管理被管理者，实际上是先将被管理者的各种信息进行描述，然后再将多个被管理者的描述信息根据某种数据结构组织起来，最后管理者管理被管理者实际上就是对数据结构的管理。

总结：

今天我们学习了冯 • 诺依曼体系结构的相关知识，并初步认识了操作系统 ，了解了管理的精髓是先描述，再组织 。接下来，我们将继续学习Linux的其他知识。希望我的文章和讲解能对大家的学习提供一些帮助。

当然，本文仍有许多不足之处，欢迎各位小伙伴们随时私信交流、批评指正！我们下期见~