Linux：深入理解冯诺依曼结构与操作系统

目录

1. 冯诺依曼体系结构

1.1 结构分析

1.2 存储结构分布图

2. 操作系统

2.1 概念

2.2 如何管理

2.3 什么是系统调用和库函数

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1. 冯诺依曼体系结构

1.1 结构分析

不管是何种计算机，如个人笔记本电脑，服务器，都是遵循冯诺依曼结构。

 计算机中都是又一个个硬件组件组成。

• 输入单元：包括键盘、鼠标、扫描仪
• 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

不过需要注意的是：

• 这里的存储器指的是内存。
• 外设一般指的是输入设备和输出设备。
• 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。
• 外设要输入或者输出数据，也只能写入内存或者从内存中读取。

也就是说，所有设备都只能直接和内存进行写入写出操作。

1.2 存储结构分布图

由最高层到最底层的存储设备，容量越大，读写速度越慢，成本更低。

• Register：寄存器。
• L1/L2/L3 Cache：一级/二级/三级/高速缓冲存储器。
• Memory:内存。
• SSD：固态硬盘。
• HDD：机械硬盘。
• 还有一些远程网络服务器上的存储。

冯·诺依曼体系结构无疑是一个划时代的伟大发明。尽管高级存储器，如寄存器和缓存，拥有极其迅速的数据读写能力，但它们的容量有限，且成本高昂。若将它们作为电脑的主要存储介质，其昂贵的造价无疑超出了普通消费者的承受范围。另一方面，固态硬盘和机械硬盘虽然提供了较大的存储空间且价格亲民，但其相对较慢的数据读写速度却难以满足高性能计算的需求。

内存，作为一种折中的解决方案，其容量相较于高级存储器更大，而访问速度又远超硬盘。因此，内存扮演了至关重要的角色，它如同桥梁一般，将高速的高级存储器与读写速度较慢的外设连接起来。这样的设计不仅平衡了数据读写速度，还将成本控制在了一个大众能够接受的范围内。这一创新使得个人电脑得以普及，推动了计算机行业的飞速发展。

2. 操作系统

2.1 概念

操作系统（Operating System，简称OS）是管理计算机硬件与软件资源的系统软件。它与硬件交互，执行管理任务。常见的操作系统有Windows、macOS、Linux、Harmony OS和Android。

笼统的讲，操作系统包含：

• 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）

2.2 如何管理

那操作系统是如何进行管理的呢？我们来做一个类比。

在一家公司中，当员工数量较少时，可以直接对每位员工进行监督和管理。然而，随着公司规模的扩大，员工数量达到数百甚至上千，直接管理每位员工变得不再可行。此时，公司通常会采用分层管理的策略。

公司将根据业务需求划分为不同的部门，并为每个部门指派一位经理。在部门内部，经理会将员工分成若干个工作小组，每个小组由一名组长领导。如此一来，公司的高层只需管理几位部门经理，而每位经理则负责监督几个小组组长。小组组长则负责管理和协调组内成员的具体工作。通过这种层级化的管理结构，公司能够确保组织的高效运转和目标的达成。

 在下面的操作系统调用示例图中，用户发出任何指令，操作系统进行辨别，再调用硬件运行程序。这就类似我们上面的例子。

若作为公司高层，我们想查看新员工实际情况，不可能找新员工一个个询问。可以给每个员工做一份档案，里面包含姓名、年龄、工号、工种、学历和面试表现等。再让每个经理去采集各自员工的信息，从而建立员工档案。但是员工太多，我们看不完员工档案内容。

此时，假设我们作为程序员，我们只关心员工的属性，那么可以将员工抽象为一个结构体类型或者类，里面包含姓名、年龄、工号等属性。

 如下，在C语言中，使用结构体表示员工数据结构，里面包含许多员工属性。每增加一个员工，就要创建一个Employee类对象。仅仅这样的话，每个对象都是独立的不好管理，那么可以在结构体中加上指向下个对象的指针，这就构成了一个单链表。

如果公司需要接受某个项目，需要有相关技能的员工，就可以遍历整个链表，找出符合要求的员工，再指派其对应的经理安排工作。未来高层对员工的管理，变成对一个单链表进行增删查改操作。我们完成了一个对于公司员工管理工作的计算机层面的建模工作。

 

那么操作系统是如何管理硬件的呢？

• 虽然硬件有许多种，如硬盘和网卡，但是这些设备的属性都是相同的，有设备名，设备状态和设备编号等。我们可以创建一个device结构体类型，并使用链表数据结构（或者其他数据结构）组织起来许多device类对象。
• 操作系统接收到用户的指令，通过数据结构管理，发送给驱动程序，驱动硬件运行。
• 这种管理方法是先描述，再组织，即先将管理对象构建成一个类，再使用某个数据结构进行组织。任何计算机对象，管理的思路都遵守该原则。

再引申出一个问题，为什么现在所有主流的面向对象语言，都要提供面向对象和标准库？其中包括C++的STL库。

• 因为在面向对象语言中，一切被管理的食物皆为对象，面向对象就提供描述的能力。标准库就提供数据结构组织该对象。

2.3 什么是系统调用和库函数

在上图中展示的系统中，硬件资源的调度是通过驱动程序来实现的。操作系统扮演着中介的角色，接收用户的指令，并通过调用相应设备的类对象来激活驱动程序。用户无法直接与操作系统交互，而是需要通过用户操作接口和系统调用（system call）来传达其请求。系统调用充当了用户与操作系统之间的桥梁。那么，为什么不允许用户直接调用操作系统呢？我们做个类比。

银行不仅仅拥有设备、桌椅板凳和仓库等硬件资源，更重要的是，它还需要工作人员进行管理和维护人员进行定期检修。银行的日常运营包括提供存取款和贷款服务，从这个角度来看，银行可以被视作一套完整的系统。

假设小明来到银行，想要存入几百元现金。如果他直接将现金放入仓库，并自行在设备上登记存款信息，这显然是银行行长不可接受的。尽管大部分客户都是诚信的，但银行不能排除有人可能不遵守规则，从而对银行财产造成损失。因此，银行会设立对外开放的窗口，专门提供存取款服务。

那么我们可以将操作系统类比于银行，因为用户可能做些损害操作系统的操作，操作系统也不相信用户。

• 因此，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，这部分有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。

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