Linux ----冯诺依曼体系结构与操作系统

目录

前言

一、冯诺依曼体系结构

二、为什么选择冯诺依曼体系结构？

三、使用冯诺依曼结构解释问题

问题1：

问题2:

四、操作系统

1.操作系统是什么

2.为什么需要操作系统

3.操作系统怎样管理的

4.如何给用户提供良好环境

五、我们是怎样调用系统接口的

六、总结 

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前言

了解冯诺依曼体系结构与操作系统，可以建立好计算机知识体系，至少在后面学习进程时，可以逻辑自洽。

一、冯诺依曼体系结构

我们常见的计算机，如笔记本。我们不常见的计算机，如服务器，大部分都遵守冯诺依曼体系。

我们当前的计算机主要由五部分组成：输入单元，输出单元，存储器，运算器和控制器。如下

二、为什么选择冯诺依曼体系结构？

为什么现在的计算机基本都选择了冯诺依曼体系结构？

这是因为我们要进行存储分级，计算机里几乎所有的设备都有数据能力，如CPU存储速度最快，内存其次，磁盘再次之。

如果不会存储速度进行分级，全部都是用最快的存储器，会造成价格极具昂贵的现象，我们这种普通老百姓根本承担不起。如三星、西数的硬盘，英伟达60系列显卡、intel i5家族才是主流用户的选择。

冯诺依曼体系结构中，CPU并不会和外设直接打交道，这是因为外设的存储效率太慢，直接交互会让计算机速度变很低，因为木桶效应。在数据层面上，CPU优先要和内存直接打交道。

我们读取磁盘中的数据进入内存，再让CPU与内存进行直接访问，这样在保证计算机效率的同时，也让成本尽可能的降低。这也是使用冯诺依曼体系结构的本质：用较少的钱，做出来效率不错的计算机。

如下是存储分级图。 

三、使用冯诺依曼结构解释问题

问题1：

在我们学C/C++语言时，总听说过一句话，程序要运行之前，必须要加载到内存？这是为什么呢？

这是因为程序=代码+数据，程序最终都需要CPU来执行，CPU在处理前需要先读取到这些代码和数据，我们刚刚了解到，CPU只和内存直接进行数据交互，因此需要先将数据加载到内存中，再让CPU进行相关数据的处理。

问题2:

你和你的朋友，在QQ上聊天，你发送了一个“在吗”，在硬件层面上，“在吗”这个在设备上的数据流动是怎样的？

数据从你的电脑中键盘输入，转到内存中，有CPU进行相应的打包处理，再通过网卡传输到你的朋友的电脑网卡端，你朋友的电脑接受到也会先加载到内存，再CPU进行相应的解包处理，最后再显示器上显示出来。

以上案例只是为了让大家理解冯诺依曼体系结构，具体流程肯定不仅仅只有网卡键盘显示器参与，还有其他硬件共同参与。 

四、操作系统

1.操作系统是什么

操作系统是一款软件，是可以进行软硬件资源管理的软件，也是第一个加载到内存里面的软件。

2.为什么需要操作系统

操作系统将软硬件资源管理好，并且给用户提供稳定、高效、安全的使用环境。（后面两点围绕这个展开）

3.操作系统怎样管理的

先回答上面第2点的第一句话：操作系统如何将软硬件资源管理好

操作系统管理的的核心是：进程管理、内存管理、文件/IO管理、驱动管理。如下图

他是如何管理好这些的呢？ 我们举例子来理解。

比如在一个大学，校长是管理者，会做决策，辅导员或者老师做执行，学生是被动接受管理。那么校长是如何做决策的呢？

他总不能是跟小阿giao一样拍拍脑袋，随便管理决策的吧。他肯定是掌握了辅导员/老师提供的数据（姓名/成绩/班级/奖项等等），根据这些数据来进行管理，比如张三喜欢打架，成绩也不好，那我们就不要给张三奖学金，或者直接将张三开除了。再比如李四成绩好，品学兼优、辅导员和同学对他评价很高，那么就颁给李四一个三好学生。这也是为什么我们都见不到校长，但确确实实是校长在间接或直接管理着我们。

通过这个故事，我们可以看到管理的本质并不是管人，而是管理数据 ！！！通过数据下发指令进行管理。

那么既然管理者管理的是数据，那么我将数据用 结构体/类 来描述很合理吧，比如上面的学生数据，我定义一个struct或者class，里面有名字、性别、身高、体重、成绩等等信息来描述。我们再使用链表或者红黑树等其他数据结构，将学生类都串起来，方便我们进行增删改查等处理。

对应到计算机中，对应的操作系统就是管理者代表校长，驱动程序代表辅导员/老师，硬件被管理者学生。

计算机将你要管理的内存、进程等分别使用结构体或者类来描述清楚，再使用容器进行组织起来。

总以经结一句话：先描述、再组织。   任何管理工作都可过这六个字进行计算机建模。

如何理解先描述呢？

人是通过属性来认识世界上的任何事情/事物的。比如我描述一个物品，它是液体的，黑色的，外包装为红色，可以喝的，带气泡的，喝第一口非常好喝的，喝后面一般的，喝起来冲鼻的。大家很容易联想到可乐。这些内容都是该物品的属性。由此我们可以得出一个结论，重要属性的集合就代表这个人或者事物。

既然先描述，再组织，那么操作系统内部，一定存在大量的数据对象。我们只要描述清楚对应的硬件，用数据结构将他们组织起来，那么我们对硬件的管理就可以转化为对数据结构的管理。这样就完成了对管理事物的建模过程。

比如，我们想知道，我们显卡是否在正常工作，那么操作系统就会去查看显卡的相关数据对象，查询后，再将结果返回给上层。 

4.如何给用户提供良好环境

回答上面第2点的第二句话，操作系统如何给用户提供稳定、高效、安全的使用环境。

现在我们已经知道了操作系统很棒，可以将软硬件资源管理好，那他是如何给用户提供良好的使用环境的呢？

这里的用户，在广义上指所有人，狭义上指开发者，因为至少至少，操作系统得让开发者用起来舒服，让开发者能开发各种软件，如qq，微信等给所有人使用。

那么用户能直接通过操作系统去访问到底层硬件的数据对象，同时可以修改吗？

答案是不能，因为群众里面有坏人，你无法保证每个人都正常的对底层硬件进行访问修改，万一有坏人或者不小心修改了数据，我们后面查看到的结果与实际可能就不一样了。

就像银行一样，不相信我们，有保安和好几米厚的墙来防止坏人，但还是要设置窗口让业务员与我们沟通。同理，虽然操作系统不相信我们，但还是要给我们提供接口来为我们服务。我们要通过操作系统访问软硬件，也就需要调用操作系统给我们的接口。

五、我们是怎样调用系统接口的

一般一个用户要想访问非常底层的操作系统数据或者访问硬件，必须贯穿整个层状结构，这就意味着用户必定要调用系统调用接口。比如C语言中打印的printf，他一定是封装系统调用，不然不可能在屏幕中给我们进行显示。

但是系统调用，用起来会很麻烦。

站在用系统的人的角度，操作系统给我们提供了外壳程序（linux的shell，windows的图形化界面），我们可以通过外壳程序，来通过简单的操作进行系统调用。

站在在系统上开发的人的调度，可以直接调用系统接口，但是开发的人也会有小白，如果将系统接口封装成为各种好用的函数，打包形成库！所有开发者，用很多功能的时候，不用再自己去写了，而是直接调用库函数即可。

现在我们再回过头来看一下这个图片，是不是容易理解了，用户通过shell外壳和库访问系统调用接口，通过接口对访问操作系统，再通过操作系统对硬件的管理进行访问硬件。

六、总结 

不要求了解很多，只需要知道冯诺依曼体系结构中的  “先描述再组织”。

计算机管理硬件

1. 描述起来，用struct结构体

2. 组织起来，用链表或其他高效的数据结构

还有系统调用和库函数概念

• 在开发角度，操作系统对外会表现为一个整体，但是会暴露自己的部分接口，供上层开发使用，这部分由操作系统提供的接口，叫做系统调用。
• 系统调用在使用上，功能比较基础，对用户的要求相对也比较高，所以，有心的开发者可以对部分系统调用进行适度封装，从而形成库，有了库，就很有利于更上层用户或者开发者进行二次开发。