从硬件结构到软件

   先说说体系冯诺依曼的体系结构，有利于我们后面理解操作系统，软件再怎么发展，也必须遵守硬件的规则。

一 五大硬件理解

如下图:

1 为什么要有输入输出设备

    很久以前，我们都是把指令打成孔，有孔无孔表示0,1，让计算机读，输出也是对一张纸进行打孔，输出0, 1，为了普及，能让大众使用，而且随着计算机语言的发展，我们需要有一个设备能处理二进制，例如输入一个单词move，然后能转为二进制指令让计算机识别，这也就是我们需要这些输入设备的原因。

   同理，当计算机处理完结果，需要反馈结果时，也需要把二进制结果处理为我们能认识的画面和文字，这就是目前的输出设备做的事了。所以说问为什么要有输入输出设备，其实更像问为什么要对二进制做转换，就是为了降低使用难度和工作量呗。

   而什么是输入输出设备呢，我认为将数据给内存，给cpu的就是输入设备，cpu将结果返回，最后接收结果就是输出设备。这意味着cpu向磁盘要数据时，磁盘是输入设备，向磁盘输出数据时，磁盘又变成了输出设备，大多设备并非是绝对的输入和输出设备。

2 内存的作用:

   体系结构中还有个叫存储器，这个存储器我们可以理解为就是内存，那内存又有什么作用呢，我不能让输入输出设备直接和cpu打交道吗?

   假如没有内存, 由于cpu内部的寄存器比较小，能存的数据不多，也就不能预加载数据给cpu，那cpu就只能一点一点向输入设备要数据，而输入设备一般是磁盘文件，读取数据比较慢，不能快速传数据给cpu，cpu的处理速度太快了，一下子把给的数据处理完了，后面的数据又还没来，那cpu就只能等了，那此时cpu就被拖累了。       而且当cpu要输出结果时，写入磁盘文件同样很慢，假如此时cpu内存了不少结果要返回，但是由于写入太慢了，此时cpu又只能等你把结果都写入了，我才能继续计算，此时计算机的效率就由输入输出设备存储速度决定，再好的cpu都提高不了效率，所以结构得改，怎么快速地多存点数据给cpu呢?可以多弄几个寄存器，这样访问速度不就很快了，但是价格太贵，所以不能弄太多寄存器，那我们就选择弄一个便宜一点，存储速度勉强跟得上cpu的"寄存器"。如下

   可是不对啊，你数据先从输入设备到存储器，然后才给cpu, 输出数据也是要先给内存，再给输出设备，这不是比我输入设备直接给cpu，cpu结果直接给输出设备慢吗(只有输入输出设备和cpu的结构下文我们称为结构2)

    这里有个误区, 那就是并行和串行的关系，冯诺依曼体系结构中数据的流动是并行的，你以为cpu是傻傻地等数据从输入设备到内存，再给自己，实际上数据会预加载到内存，预加载的时候cpu可以去做其它的计算，这样CPU就不用等待你输入数据，可以解放出来，然后内存的读取速度比外设快，所以当cpu要数据时，也可以快速提供，结果也是快速地写给内存，然后让内存去慢慢地给输出设备，不就又把cpu从输出中解放了吗，整体效率呈现的是内存的存储速度。而结构2没有内存这个存储器，就不能预加载，只能来一点数据，此时数据流动就是串行的，整体效率呈现的是外设的存储速度。

   综上内存的作用1:此时读数据的时候cpu就被解放去做其它事情了。作用2:内存可以快速传给cpu，作用3:内存的出现降低了电脑的成本，使得计算机可以更普及，因为还有一种结构是增加很多的寄存器给cpu，也能让cpu从io中解放。

    好好好，你说内存这么有用那我就听你的喽，可是我还有个疑惑，是谁让内存预加载，是谁在指挥那些硬件干活呢?下面的cpu会提及。

3 控制器和运算器作用

  运算器理解很简单，就是对数据，指令做运算，而控制器我理解则是cpu要去控制其它硬件，比如cpu执行了一条代码scanf，要我们输入数据，这个时候cpu就要控制外设，赶紧接收数据给我，我等着运算呢，我也是基于这一点大致理解虽然外设和cpu没有数据的传输，却有控制信号直接连接，或许后面的到linux网络部分会理解地更深刻。

   到了这里我们就大致理解了五大硬件的作用，可是好像少了什么东西，对，软件呢，软件在哪里和硬件交互呢，软件的本质就是一句一句的指令，指令最后那就是数据，由计算机体系结构要求，要让cpu处理软件的指令，那就要让软件加载到内存，所以软件就在内存。还有就是先前让内存预加载的指令就是操作系统这个软件给cpu发的指令，让控制器去实施的。那为什么是操作系统发指令呢，我代码写了一句scanf，不是我的编译器对cpu发号施令吗?下面来看看操作系统，我们就知道了。

二 操作系统

1 计算机的层状结构

  我们总说cpu处理指令，处理数据，数据去内存拿，指令呢，谁传到内存，然后传给cpu的，谁呢?这就是我们的操作系统了，噢，那我就理解了为什么说操作系统控制硬件了，就是将指令发给cpu，让硬件干活，先前说操作系统是这个软件要加载到内存，才能让cpu访问执行，所以操作系统就在内存，而由内存断电就丢失数据得，电脑每次开机，连接电源时都要先把操作系统加载到内存。

  那为什么是让操作系统去给硬件发指令呢，我的QQ，微信，编译器软件就不能发吗，不行，因为操作系统不信任这些软件，如果让这些软件随意访问硬件资源，那你的设备数据将随意地由其它软件获取。那QQ微信难道不需要硬件的支持吗,这个当然是需要的，接下来就谈谈计算机的层状结构来理解QQ微信是如何获得硬件支持的。

如下图

    先前说操作系统控制硬件，可是我们可以看到硬件和操作系统中间还有个驱动程序，我理解的驱动程序是什么呢，就是从硬件拿数据给操作系统的，因为操作系统要对进程，文件，驱动做管理，那就都要访问硬件拿数据，所以将从硬件拿数据的功能独立出来，让大家共用(驱动程序也不能理解为函数，网上资料也看不太懂，我才刚接触操作系统，具体理解为什么，也不好说，希望以后工作中慢慢体会)。虽然操作系统对硬件做了封装，但是仅仅保护硬件资源不是操作系统的价值，就像一家银行金库封的死死地，却不为你提供服务，你说这银行硬件条件再好有什么用呢? 所以必须在保证安全的前提下，提供一个小窗口能让用户取钱存钱，所以操作系统也必须将一些接口给外部，而这个接口就是一个一个的函数，基于这个接口不同的语言对系统调用进行封装，c语言printf调用向显示器打印数据的接口，而c++的cout也是调用类似的接口，所以语言的库的都是在系统调用接口之上开发的。从硬件到系统软件，再到封装的系统调用接口的库函数，再到我们使用的软件，不断地封装，包含个头文件，写个printf就能打印数据，我们轻轻一点就能发送消息，实际上却是底层在一层一层地响应。

    我很久以前看到个问题，操作系统是c语言写的，语言的开发又是在系统之上，那c语言都还没开发出来咋写的操作系统呢?我现在大致能解释了，语言的开发应该说的就是实现一个个便利的库函数，scanf这些库函数是对系统调用接口进行封装，当然得在系统之上，而没有这些库函数，c语言也能写代码，难道没有成语，就写不了文章了?

   

2 操作系统的管理

好好好，计算机的层状结构我大致理解了，也就明白操作系统对上是要提供接口和服务的，对下是要做软硬件资源管理的，那咋管的呢?

1 什么是管理

   操作系统是怎么知道什么时候给指令给cpu，给什么指令呢?要解释这个得先说说什么是管理，比如在大学里，大学校长就是管理学校的，管理成千上万的师生，可是我们几乎没见过校长，我是怎么被管的呢?这难道说明管理者与被管理者无需见面，也能实现管理，实际上校长只需要获取你的学习成绩，就能判断你成绩合不合格，要不要让你继续读下去，这就已经在管理你了(这点非常关键)，噢，那管理者与被管理者见面也是为了获取状态数据，所以只要管理者能从其它方面获取到数据，也就不用和你见面也能通过数据知道你的情况，而且这个数据足够详细，就能描述你，组合在一起能让管理者做出决策。

2 数据从哪来

  好好好，那数据哪来，校长去搜集吗，校长是做决策的，校长应该让辅导员来返回你的数据给他，也就是说操作系统不会自己去搜集数据?，而是让一个一个的程序去返回数据给自己，而这些程序就叫驱动程序，可是辅导员哪知道要采集哪些数据呢，总不能把学生的，他们父母的所有数据都一股脑地全传给校长吧，此时校长如果只想找身高最高的同学，那读取数据对校长来说就得累死，数据量太大了，有些可能是没必要的数据，如何对这些庞杂的数据做管理呢?

3 如何管理数据

  校长说我给你们一个模板，你们就按照这个模板填数据，除模板需要的其它都不用填，这就减少了数据的采集，但是由于表格比较容易受损，所以校长打算放到网络上去维护，一个学生的信息是各种类型的数据，而操作系统是c语言写的?，所以只能用一个结构体将这些数据统一封装，也就是说一个结构体也就可以描述一个学生，那所有学生都被存在了一个个结构体中。而这个模板就是先对学生进行描述的过程，这一步非常关键，数据的准确度和详细程度大大影响校长的判断。

    那我们如何管理这些结构体对象，这不就是数据结构吗，可以用链表将一个一个的结构体组织起来，这个时候校长对学生信息表格的维护就变成对链表的增删查改，那只要再实现配套函数例如find，erase，那每次就调用配套管理函数就能实现管理了。最终这还引出了一个通用的思想，管理就是先描述，再组织。而操作系统要管理文件，内存和进程，那也是先描述，再组织，所以在操作系统内就是存在大量的数据结构。

  实际上我们实现的类都是先描述，再组织，例如实现的容器vector，内部是连续存储的，而我们只需要三个指针就能描述vector，其内部的每个元素则由动态开辟的连续空间联系起来，随后就是对这个空间内元素的增删改查，而c++提供容器则是为了帮我们更好地组织对象，例如想让数据以链表的方式组织起来，那就用list，想排序就用map。

   由于后面的博客要开始提及进程，那我们就浅谈一下操作系统如何对进程进行管理，由上述情况得，对进程，那不就是先描述，再组织呗，进程就是一个加载到内存的程序，所以进程包括代码和数据，而操作系统管理进程不用在意它的代码和数据，只要用一个描述进程的结构体(linux下称为-PCB)就可以达到管理的目的。