【Linux仓库】冯诺依曼体系结构与操作系统【进程·壹】

冯诺依曼体系结构

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

• 存储器是什么? 是内存
• CPU-运算器:算数运算，逻辑运算
• CPU-控制器::执行代码，进行逻辑控制的输入设备:键盘，摄像头，磁盘，网卡.输出设备:显示器，音响，磁盘，网卡....
• 输入设备:键盘，摄像头，磁盘，网卡....
• 输出设备:显示器，音响，磁盘，网卡.…

有些设备既属于输入设备，又属于输出设备，如：磁盘、ssd、网卡（都属于输入输出范畴）。

为何要加载到内存

我们总说C/C++中要可执行必须先加载到内存里？但为啥要加载到内存里呢？这是由冯诺依曼体系结构决定的。

• CPU在数据层面，不和外设打交道，只会和内存打交道! 外设不和CPU打交道，只能通过内存打交道。

一般而言，离CPU越近其效率就越高，因此 输入输出（外存）<< 内存 << CPU。但由于CPU在数据层面只和内存打交道 -->

• 内存本质:外设和CPU的缓存计算机效率，以内存的速度为主!!!

设计的意义

正常来说，其体系结构不应该如下图所设么？为何还要通过内存这个中转站来和CPU打交道呢？

1. CPU 运算速度极快，而输入输出设备（如磁盘、网卡等）速度相对很慢。若没有内存，CPU 需频繁等待外设数据，整体效率受限于外设。内存读写速度远高于外设，可预先加载数据，CPU 直接从内存获取数据运算，使计算机效率以内存速度为主，大幅提升性能。
2. 内存的造价相对适中，相比更高速的存储（如寄存器）成本低很多，同时又远快于硬盘等输入输出设备。若直接提升输入输出设备速度来匹配 CPU，成本将极高（如采用高速存储介质替代硬盘等），而内存可在可接受的成本范围内，提升计算机整体运行效率。

二者互传文件

数据流动的本质:其实就是拷贝。

计算机的整体效率，本质就是在设备间拷贝的效率!!!

下图是打开一个文件时的结构走向。

微信在日常生活中必不可少，那么我们在微信上和某位朋友聊天开始，数据又是如何流动的呢？

将键盘文件的数据拷贝到内存中，内存与CPU打交道进行加密计算，再经过输出设备如网卡，中间经过网络（需要符合协议），网络再将数据写入到朋友的输入设备：网卡中，网卡将数据拷贝到内存中，经过CPU进行解密，再将解密后的数据写入到显示器文件中。

那么如果二者之间互传文件，又该如何理解呢？数据又是如何流动的呢？流动过程是类似的。

操作系统

操作系统分为广义上操作系统和狭义上的操作系统，这里规定我们所说的操作系统是指狭义上的操作系统，如Linux内核。

狭义上操作系统：Linux内核、Windows内核等等

广义上操作系统：shell外壳、预装系统级软件等。需要明白的是用户不擅长与内核进行打交道，因此需要在内核外套一层软件层如：shell外壳。用户可以通过shell外壳与操作系统进行打交道！

任何计算机问题，都可以通过添加一层软件层来解决。

任何计算机系统都包含⼀个基本的程序集合，称为操作系统(OS)。

• 操作系统是一款对下进行软硬件资源管理的软件！！！（这是它的手段）
• 对上给用户提供一个（良好的、安全的、高效的）运行环境。（目的）

OS如何管理

小故事

通过上面了解，我们知道操作系统对下需要将软硬件资源管理好。操作系统又是如何管理的呢？

如何管理？ --> 这里衍生出两个角色：管理者和被管理者。

这里举个例子方便大家进行理解。

在大学校园中，总是会存在三个角色：校长，辅导员，学生。毫无疑问，校长就是管理者（操作系统），辅导员则是（驱动程序），而学生就是被管理者（硬件）。

辅导员也可以管理学生啊，为啥辅导员不能是管理者呢？

管理者必须是能做执行的，能做执策！！！

输出结论1：管理者与被管理者之间，见面不是必须的。（学生和校长不见面，但学生却能被管理住）

校长又没见到我的人，但是我却被管理的明明白白的。校长是如何做到的呢？

本质并不是见面，而是获取我身上有效的信息，这是管理的必备要素！！！

输出结论2：本质是对被管理对象，相关有效数据的管理! 管理，本质是对数据进行管理!!!

那校长又是怎么获取我身上有效的信息啊？辅导员的作用不就在这了么？

辅导员这个驱动程序要我填一张身份表，里面包含着我的学籍信息、身高、年龄等，再将这张表反馈给校长（管理者），这样校长就不用通过见我的面却能方方面面地把握着我的信息。

输出结论3：操作系统经过驱动程序获取硬件的有效信息！！！

在校园中，有成千上万个学生需要管理，那么校长能管的过来吗？管不过来，那么该怎么办呢？

好在校长之前是一名程序员，此时为了对学生进行管理，他写了一款程序对学生进行管理。

每个学生都有年龄、身高、性别、学籍等等，则用结构体对它们都管理起来！！！

struct stu
{
    char name[];
    char 籍贯[];
    int 基本信息;
    struct stu *next;
}

假设学校的10000名同学中有一名同学因去当兵需要对这个学生信息进行管理，将信息改为保留学籍；一名同学荣获国家级奖项，要对这个同学进行奖励。那么校长就需要查每一个学生的信息，这显然是很麻烦的。但如果我们将每位学生信息链接起来，这样校长管理所有的人就转化成为了对链表的管理，可以进行增删查改操作！！！

总的来说，对数据进行管理，管理的做法：先描述，再组织！！！

在C++、python、java等语言中，为什么都会提供类呢？为何要提供容器技术？要先描述；

为什么要学习数据结构？进行组织。

因此管理的做法乃至世界的真相都是先描述，在组织！！！

对应到操作系统中：

安全管理

那么用户我就能随随便便访问操作系统内的数据了吗？肯定不是，因此操作系统要提供安全措施。

• 在开发⻆度，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。