【把Linux“聊”明白】从冯诺依曼架构到操作系统

前言

理解Linux，始于理解计算机本身。本文将追溯至计算机的源头——冯·诺依曼体系结构，为您解答计算机如何协调工作、操作系统如何管理软硬件资源这两个核心问题，为您的Linux进阶之路打下最坚实的地基。

一、冯诺依曼体系结构

在我们常见的计算机，如笔记本。不常见的计算机，如服务器，大部分都遵守冯诺依曼体系。冯·诺依曼结构的五大组成部分：

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截至目前，我们所认识的计算机，都是由一个个的硬件组件组成

输入设备：包括键盘，鼠标，扫描仪等； 中央处理器(CPU)：含有运算器和控制器等； 输出单元：显示器，打印机等。

我们要知道，这里的存储器指的是内存，输入输出设备是站在内存的角度来看的。

为什么cpu不直接在磁盘上获取数据呢？ 因为CPU的速度和磁盘的速度之间存在巨大的、难以逾越的鸿沟，如果CPU直接去磁盘取数据，整个计算机将会慢到无法忍受。 内存作为一道必不可少的“缓存”或“缓冲区”，填补了CPU和磁盘之间巨大的速度鸿沟，是保证现代计算机高效运行的基石。

在不考虑缓存情况，这里的CPU能且只能对内存进行读写，不能访问外设(输入或输出设备)，外设(输入或输出设备)要输入或者输出数据，也只能写入内存或者从内存中读取。 即所有设备都只能直接和内存打交道。

所以，在我们学习C语言时，printf函数就是把数据写到硬件，也就是显示器上。

二、操作系统的概念

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)。笼统的理解，操作系统包括：

内核（进程管理，内存管理，文件管理，驱动管理） 其他程序（例如函数库，shell程序等等）

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三、设计操作系统的目的

对上，为用户程序（应用程序）提供一个良好的执行环境（目的）

对下，与硬件交互，管理所有的软硬件资源（手段）

我们来看一下计算机系统的层次结构：

1. 软硬件体系结构为层状结构；
2. 访问操作系统，必须使用系统调用 — 其实就是函数，只不过是系统提供的；
3. 我们的程序，只要你判断它访问了硬件，那么它必须贯穿整个软硬件体系结构；
4. 库函数可能在底层封装了系统调用。

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四、操作系统的核心功能

在上面我们也可以看出，操作系统是管理者和服务提供者。它管理所有硬件资源（CPU、内存、设备、文件），同时为用户和应用程序提供简单、统一、安全的服务接口。所以操作系统的定位是：⼀款纯正的“搞管理”的软件。

4-1 如何理解"管理"

简单来说，就是 — 先描述，再组织。 举例： 校长管理学生，先对学生进行描述：

struct student
{
	int id; 		 // 学号
	char* name; // 名字
	char* age;  // 年龄
	//...

此时，每个学生信息对应一个结构体，然后，再以某种数据结构（比如链表）将学生对象的信息组织起来：

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即：先描述被管理对象，再组织被管理对象

此时，校长想管理学生，需要和学生见面吗？不需要。 所以，要管理，管理者和被管理者，可以不需要见面。 那么，管理者和被管理者，怎么管理呢？ 根据“数据”进行管理！ 但是不需要见面，如何得到数据？ 由中间层获取！（比如辅导员）

有了上述的先描述，再组织，可以看到，校长对学生的管理工作，变成了对链表的增删查改。

我们现在可以来类比操作系统管理硬件：

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总结

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

五、系统调用与库函数

系统调用 在开发角度，操作系统对外会表现为一个整体，但同时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。 库函数 系统调用在使用上，功能比较基础，对用户的要求相对较高。因此，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，就非常有利于更上层的用户或开发者进行二次开发。

总结

从冯诺依曼体系结构的基础框架，到操作系统的“先描述，再组织”管理哲学，我们看到了计算机系统设计的精妙之处。操作系统作为硬件与应用程序之间的桥梁，通过系统调用和库函数为开发者提供了统一的接口。理解这些底层原理，不仅有助于我们更好的深入学习，更能让我们真正明白计算机工作的本质。