Linux冯诺依曼体系与操作系统

1、冯诺依曼体系结构

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

1.1 五大硬件部件

五大组成：输入设备、存储器、运算器、控制器、输出设备

输入设备：键盘，鼠标，扫描仪，摄像头，话筒，网卡，磁盘等

输出设备：显示器，打印机，内置播放器，网卡，磁盘等

注意：磁盘属于外部存储设备，计算机可以从磁盘中读取数据，也可以把数据写入磁盘中，输入、输出设备都是外部设备

存储器：这里的存储器指的是内存，它是一种硬件级别的缓存空间

中央处理器CPU：由运算器和控制器共同构成，CPU只能对存储器进行读写，不能直接访问外设，运算器负责算术运算，控制器进行发送控制信号

整体流程：

输入 → 计算 → 输出

数据先输入到内存，CPU 从内存拿数据做运算，结果放回内存，再交给输出设备展示

1.2 内存

CPU不能从输入设备读取数据并写入输出设备，数据必须从输入设备写入存储器，CPU再从存储器读取数据进行计算，再把计算结果写入存储器，再从存储器中刷新，刷新出结果

存储分级金字塔：

计算机中内存的读取速度是微秒级别，外部设备的读取速度是毫秒级别CPU和外设之间的速度差较大，如果将CPU和外设直接连接，那么CPU 会疯狂等待外设，CPU 大部分时间空闲，由木桶效应，整机效率极低

核心思想：局部性原理

程序访问数据有局部性：刚用过的数据，很大概率马上还要用；访问一块数据，旁边的数据也很可能马上访问
把即将要用的数据提前预加载到高速内存，CPU 直接跟高速内存交互，减少访问慢速外设

所有程序想要运行，必须先加载到内存，C 语言编译得到二进制可执行文件放在磁盘，磁盘是外设，CPU 不能直接读磁盘上的程序，必须拷贝进内存，CPU 才能执行它

程序就是数据，指令和数据同等看待，全都存放在存储器

IO原理：

数据流动的本质是拷贝，输入时键盘（输入设备）把数据拷贝到内存，CPU从内存读取数据做处理，如果要打印，CPU处理完会把数据写回到内存，内存的数据再拷贝到显示器（输出设备）显示出来

计算机中I为Input输入、O为Output输出，IO效率问题由设备的拷贝效率决定

聊天时的数据流动：

发送方：

1. 键盘中输入字符串，数据拷贝进入内存
2. CPU 处理，内存的数据拷贝给网卡（输出设备）
3. 网卡把数据通过网络传输到对方电脑

接收方：

1. 网卡作为输入设备，网络数据拷贝到本机内存
2. CPU 读取内存处理
3. 内存的数据拷贝给显示器输出

2、操作系统

2.1 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）

狭义上的操作系统是内核Kernel，内核是操作系统最核心的部分，包含四大功能：

1. 内存管理
2. 文件管理
3. 驱动管理
4. 进程管理

广义上的操作系统是内核+外壳shell+系统库+图形界面+预装软件

2.2 操作系统存在的目的

手段：管理全部软硬件资源；目的：给用户提供稳定、高效、安全的使用环境

计算机的层状结构：

操作系统的管理：

学校模型：

• 校长 = 操作系统内核（决策者）
• 辅导员 = 驱动程序（中间执行者）
• 学生 = 底层硬件（网卡、硬盘等外设）

管理者和被管理者不需要见面，校长不会直接管理每一个学生，做出的决策交给辅导员执行；同样操作系统不会直接操作硬件，而是交给驱动程序，由驱动程序执行

管理的本质是对被管理者身上的数据做管理，数据是管理者做决策的依据，比如学校管理学生，学生有姓名、院系、成绩、特长等属性。那么如果想统计学生的信息，应利用结构体，如果找出成绩最差的学生劝退，此时想快速找到该学生应利用链表将结构体组织起来

操作系统管理进程、管理硬件一模一样：管理进程不是直接操控 CPU 硬件，内存里维护进程链表，修改链表，就是管理进程

所以管理的本质就是对信息的维护，首先要定义一个结构体，结构体中是硬件设备的各种属性，一个结构体对象表示一个硬件，然后把结构体对象采用链表或其他数据结构等形式组织起来，这时操作系统对硬件设备的管理变成了对一个硬件的管理

计算机管理的本质：

• 先描述：结构体（类），把现实事物属性抽象成数据
• 再组织：数据结构（链表等），把大量实例组织起来

注意：操作系统对硬件的管理最终都会装换成数据结构，所以操作系统中含有大量的数据结构

2.3 系统调用接口

作为用户无法直接和操作系统进行交互，做执行时真正让硬件完成这件工作，这件事只有操作系统内核有权限，操作系统为了保证数据安全，不允许用户随意改动，但又要给用户提供服务，所以操作系统用接口的形式给用户提供调用的入口

例如银行，不能让任何人触碰金库，但又必须给合法普通人提供服务

• 大堂经理 = 库函数，接待用户
• 柜台窗口 = 系统调用接口，唯一合法入口
• 员工 = 操作系统内核代码
• 金库 = 计算机硬件资源
• 保安 = CPU 硬件权限保护（内核态 / 用户态）

安全核心思想：不信任任何人，但是要给合法用户提供服务。

类比操作系统：

用户程序（普通应用）运行在用户态，没有权限直接操作硬件，不安全，禁止直接访问底层硬件

如果想要操作硬件资源，**必须走唯一入口：系统调用接口，**很多C/C++库函数，本质上都是对系统调用做封装

举例：你写程序想往硬盘写文件。你的程序不能直接操作硬盘硬件，调用库函数，库函数调用系统调用，操作系统校验权限，然后调用硬盘驱动，最后硬件完成写操作

总结：

• 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