【Linux】冯诺依曼体系结构（硬件）、操作系统（软件）、系统调用和库函数 --- 概念篇

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一、认识冯诺依曼体系结构（硬件）

1.1 体系结构

我们常见的计算机，如笔记本，台式机等，大部分都遵守冯诺依曼体系

截至目前，我们所认识的计算机，都是有一个个的硬件组件组成

• 输入设备：键盘、鼠标、摄像头、麦克风、磁盘、网卡等
• 输出设备：显示器、播放器、磁盘、网卡等
• 存储器：指的是内存。（注意：磁盘和U盘统称外存）
• 运算器：对输入的数据进行计算（算术运算、逻辑运算）
• 控制器：控制计算硬件流程

运算器和控制器合起来叫做中央处理器，也就是我们常说的CPU

注：以上五个部分其实是独立的个体。

所以各个硬件单元必须用“线”链接起来，这些线就是总线

• 系统总线(CPU和内存)
• IO总线(内存和外设)

1.2 体系之间是如何工作的

输入设备的的数据不能直接传送到CPU中

1. 首先通过输入设备传给存储器
2. 然后由存储器交给CPU
3. 经过运算后，CPU再交给存储器
4. 最后才能给输出设备

那么为什么是以上顺序呢？

这就要涉及到存储的效率问题

【金字塔存储体系】

这是因为外设和CPU速度差距太大了。就类似于木桶原理，如果外设直接和CPU交互，那么计算机整个体系结构的效率就以输入输出的效率为主，效率相当低下；于是就选择既不快，也不快的存储器来当中介。

总之，所有设备都只能直接和内存打交道。

二、操作系统（软件）

2.1 什么是操作系统

概念：操作系统是一款对硬件的管理，也可以是对软件的管理的软件。

2.2 操作系统为什么要管理

以下是操作系统在计算机中所处的层次图：

最底层就是硬件(眼睛能看的到，摸得着)，早期计算机是通过硬件电路来控制的，需要用户手动进行硬件控制。随着科技的发展，硬件变得越来越完善，所以就要有一款软件对硬件进行管理，我们称为操作系统。而硬件也随之变得复杂，功能也越来越多，因此在操作系统和硬件之间还有一个设备驱动。而有这些还是不够的，比如一个电脑，买回来仅仅是铁疙瘩，但是安装操作系统后，就可以开机(应用软件)。因此，在操作系统之上，我们还需要各种不同的应用软件，来满足用户的不同应用场景。

因此，操作系统的【核心工作】（为什么会有操作系统）：对下管理好软硬件资源的手段，以达到为用户提供良好的(稳定、快速、安全)操作/使用环境

操作系统给我们提供非常良好的服务，并不代表操作系统会相信我们，反而，操作系统不相信任何人

举例理解：就好比银行给我们提供良好的服务，但所有服务都是基于一个小小的柜台窗口，因为银行在为我们提供服务时要确保自身的安全，因此银行的服务是基于窗口进行的

而操作系统也是一样的，为了保证自己数据安全，也为了保证给用户能够提供服务，操作系统以接口的方式给用户提供调用的入口，来获取操作系统内部的数据（对上提供接口），这种调用称为系统调用。

所以说，所有访问操作系统的行为，都只能通过系统调用完成！

2.3 操作系统是怎么管理

为了让大家更好理解，以学校系统为例。

• 在学校系统中，我们学生是典型的被管理者，校长是典型的管理者。

但是我们有天天见到校长吗？实际上并没有。因此，校长（管理者）和学生（被管理者）是不需要见面的。

• 校长和学生不见面，那么校长是如何管理学生的呢？

其实，校长只需要知道你在学校的数据（情况），就能实施某种意义上的管理。因此，管理的本质：通过数据的管理，来达到对人的管理。

• 那么问题来了：校长是如何拿到数据的呢？

这我们都可以想到，通过老师即可。因此，管理和被管理之间还有一个老师。

• 那么老师是管理者吗？

有的人想肯定是，因此自己天天在学校都是被老师管hh。但是，老师并不是管理者。

实际上，我们对一个事情的思考分为两种：

1. 决策（做 or 不做）
2. 执行（做）

在整个学校系统中，校长是做决策的，而老师才是真正意义上的执行者。

通过以上例子，我们可以得出一下结论：

1. 操作系统 — 管理者
2. 驱动程序 — 执行者
3. 软硬件资源 — 被管理者

• 接下来又有一个问题：由于学校有成千上万个学生，每个年级的老师将学生的数据全部上报，数据量太大的时候，想要管理者（校长）做出一个决策是非常困难的。

在学校，常见的就是老师发出一个表格给学生来收集信息，比如姓名，性别，年龄，电话等。这个过程就是一个描述的过程。当每个老师将这个表整理好以后再给校长

那么校长面对成千上百万张纸，如何进行高效的数据管理呢？

回想我们一路学习的知识，是不是有一门叫做数据结构。

• 比如我们用一个链式结构（也可以是别的数据结构），来存储每一个人的信息，这就是描述的过程
• 接着我们就可以实例化多个对象。再通过多个函数（方法）来进行管理，这个步骤我们称为组织。

这样的话，校长就成功的对学生的管理工作，转换成为了对链表的增删改查。

// 描述
struct student
{
	char _college[]; //学院
	char _name[];  //姓名
	char _class[];  //班级
	......
    struct student* next;
};

【总结】

• 关于如何管理，答案是：先描述，后组织。
• 同时，这就注定了在操作系统中，一定存在了大量的数据结构来对数据进行高效的管理。

三、系统调用和库函数

• 系统调用：由于操作系统不相信任何用户，就需要有用户操作接口，供上层开发使用。
• 库函数：库函数将系统调用进行了封装和抽象，使得程序员能够更加方便地使用高级接口来完成各种任务，而不必关心底层系统调用的具体实现。因此，计算机语言都是建立在操作系统上实现的。