【Linux】冯.诺依曼体系结构与操作系统

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冯.诺依曼体系结构

什么是冯诺依曼体系结构？

我们如今的计算机比如笔记本，或者是服务器，基本上都遵循冯诺依曼体系结构，所谓冯诺依曼体系实际上就是我们的计算机是由以下这些硬件构成：输入设备、存储器、运算器、控制器、输出设备。

输入设备：计算机的本质实际上就是对数据进行计算，通过输入设备来采集信息。常见的输入设备比如：键盘、鼠标、网卡、磁盘...
存储器：这里主要是指内存，它的存在能大大的提高计算机的运行效率。
运算器+控制器：即中央处理器CPU，对数据进行计算
输出设备：将数据提供给用户，常见的比如：显示器、磁盘、网卡等

我们一般将输入设备与输出设备统称为外设。并且同一个设备既可以是输入设备，也可以是输出设备（比如磁盘、网卡等）

上面说了，正是因为存储器，也就是内存的存在，所以我们的计算机的整体效率才会整体得到提升，那么为何会这样呢？接下来我们谈一谈内存存在的意义。

为什么要有内存

假如没有内存的存在，实际上我们的外设的运行效率（比如磁盘）相较于cpu来说，是非常慢的，而此时计算机的整体效率并不是以cpu为主，而是以外设为主。举个例子来说，一桶水，最多能装多少水并不是由最长的那块木板所决定的，而是由最短的那块木板决定。

内存存在的意义

内存可以存储数据，正是因为内存的存在，使得OS可以对数据做预加载。这样CPU后面再进行计算时，就不需要访问外设，只需要伸手向内存要数据就可以了，这样计算机的整体运行效率就会以内存的运行效率为主。而内存的运行效率是大于外设的，因此，我们计算机的运行效率由于内存的存在，得到了很大的提升。因此，我们也可以这么说：内存的存在是为了适配外设与CPU的速度不匹配问题。

得到结论：

1. 在数据层面，一般CPU不会直接和外设进行直接沟通，而是直接只和内存打交道！也就是说，我们的程序在运行时，必须要将数据加载到内存中，这是由硬件体系结构决定的。（用硬件的方案来解释软件的行为）

2. 在数据层面，外设只和内存打交道

了解冯诺依曼体系结构后，我们便可以回答这么一个问题：

在硬件层面，单机和跨主机之间数据流是如何流向的？

在单机方面很好理解，遵循冯诺依曼体系，在跨主机之间，数据流又是如何流向的呢？就比如说，张三给李四通过qq，发送信息，不考虑网络的情况下，那么数据流的流向是什么？其实也是遵循冯诺依曼体系，两台计算机之间的数据流向，我们可以将这两台计算机看作两个冯诺依曼体系。
张三通过键盘（外设）输入信息，信息加载到内存，被cpu经过计算后再返回给内存，再从内存输出到显示器，此时张三自己的计算机上面就可以看到自己发送的信息。该信息通过网卡，被李四接收，再被加载到内存，然后cpu进行计算，再返回给内存，然后输出到李四的显示器上，此时李四就可以看到张三发送的信息。

跨主机之间数据流流向

我们知道，计算机的效率得到提升得益于数据会被预加载到内存，那么这个预加载是由谁来完成的呢？实际上就是我们的操作系统，接下来我们来谈一谈操作系统。

操作系统（os）

什么是操作系统？

任何计算机系统都包含一个基本的程序集合，即操作系统。笼统的说，操作系统包含：操作系统内核（进程管理、内存管理，文件管理，驱动管理）与其它程序（函数库、shell程序等）。

我们所知的常见的有Linux、Windows、unix、MAC等

操作系统的作用

操作系统是一款软件，为我们人服务的，OS对软硬件资源进行管理，从而为用户提供良好（安全、稳定、高校、功能丰富）的执行环境。

这里我们来谈一谈什么是管理？

先来说结论：管理的本质就是：先描述，再组织（这六个字将贯穿以后的学习）

任何一个庞大的系统，都需要有特定的人或事物进行管理。就比如说我们的学校系统，这里不考虑一些官方因素。整个学校是由我们的校长来进行管理，而我们作为学生，只是作为被管理的对象。我相信大家肯定没怎么见过校长，那么他是如何对我们进行管理呢？答案是通过管理我们学生录入到教务系统的数据，从而达到管理我们学生。那么校长又是如何拿到我们的数据的呢？答案是通过辅导员。
因从我们可以说，校长想要管理我们，并不需要与我们直接沟通，而是通过辅导员拿到我们的数据，从而通过管理这些数据来达到管理我们。这里，校长就相当于操作系统，这些学生就相当于软硬件资源。

这里再来总结一下：

1. 管理的本质：先描述，再组织。

2. 管理与被管理者之间不需要直接沟通

3. 操作系统如何管理软硬件资源？答案：先描述，再组织（获取软硬件资源的内容和属性到某种特定的结构体里，再通过某种数据结构进行组织。这样对软硬件资源的管理就变成了对数据结构的增删查改）

系统调用

虽然操作系统为我们提供功能丰富的服务，但是操作系统并不信任我们，也就是说我们无法直接使用操作系统。就好比整个银行系统，银行为人类提供服务，但是银行并不信任人们，我们在存钱的时候银行总不能说：哎伙计，我信任你，你登录我们的系统自己修改一下数据吧。或者干脆你直接来我们金库，把你的二百元放在旁边人家的二百万附近。这肯定是不现实的。
那么银行是怎么供人使用的呢？答案是通过一个个的窗口，不同的使用需求去不同的窗口。操作系统也是如此，会往外提供各种接口，来供人们使用。这就是系统调用！

但是由于系统调用的使用成本过高，因为并不是人人都懂如何使用，所以那些大牛们就往上又设计出来了比如图形化界面、shell外壳等，然后再往上，就是程序员开发好的简洁高效的执行环境以提供群体用户使用。

计算机软硬件体系结构

系统调用的好处：保证了OS的封装性，使用户不能直接访问OS，但同时又保证了OS可以给人提供特定的功能！

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end.

生活原本沉闷，但跑起来就会有风！🌹