【Linux】感性认识冯诺依曼体系结构和操作系统

前言：本章都是为后续进程的理解做铺垫

1、冯诺依曼体系结构

我们常见的计算机（笔记本）和我们不常见的计算机（服务器），大部分都遵循冯诺依曼体系。
 

我们直观的计算机的构成有很多的外设，而输入设备和输出设备都属于外设。
其中常见的：

1. 输入设备：鼠标、键盘、摄像头
2. 输出设备：显示器、打印机、音响
3. 既有输出又有输入的设备：网卡（将数据传到网络，也可从网络拿去数据）、磁盘（程序从文件中读取、写入）

接下来我们主要讨论数据信号
上图中的存储器代表的是内存，是一种具有临时存储能力的设备。
中央处理器(CPU)由运算器和控制器以及其它构成。

冯诺依曼体系结构规定

1. CPU不和外设直接打交道，和内存直接打交道。
2. 所有外设，有数据需要载入，也是通过外设载入到内存，同样数据写出也是从内存到外设中。

接下来让我们试着解释一下

我们知道这是规定，那么在数据层面CPU只和内存打交道为的是什么呢？

我们不难理解，CPU的速度很快，外设的速度较慢。

其实它们三个的关系，遵循着“水桶效应”，容量取决于最低的木板。

如果CPU直接和外设打交道，由于外设对数据的处理速度相对CPU是非常慢的，计算机的整体效率就非常慢。

为了提高整体效率，让它们通过内存进行交互，可以适配CPU和外设速度不匹配的问题。

内存的出现，使得可以通过外设将数据预先写入到内存，CPU也可以预先写到内存中，以达到计算机整体效率的提高，所以内存也就相当于一个缓存。

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接着我们可以通过实例感悟一下在数据层面

如果我们将一句 “在吗” 通过微信传给一位朋友，不考虑网络，数据流是如何流动的？

我们通过键盘输入通过我们电脑内存，经过CPU处理再经过内存出现到我们屏幕上，数据并且也从内存传输到了网卡上。朋友通过网卡输入数据到内存，经过CPU处理再经过内存出现到朋友的显示屏上。

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拓展知识：
其实CPU是比较" 笨 "的！

CPU只能接受别人的指令，别人的数据，然后执行别人的指令，计算别人的数据！(也就是自己有能力，但只有收到任务才能体现能力，是被动的)

那CPU是如何识别别人的指令呢？

其实CPU拥有着自己的指令集（精简指令集和复杂指令集），我们写的代码最后转换成二进制可执行文件，就是转换成CPU能识别的指令！

 
外设向内存中写入读取数据，这种过程叫做IO过程（input，output）。

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总之这一节重点就是：CPU在数据层面不会和外设直接沟通，只和内存直接打交道。这是为了计算机的整体效率
 
 

2、操作系统

前面说到，内存的出现，使得可以通过外设将数据预先写入到内存，CPU也可以预先写到内存中，以达到计算机整体效率的提高。

那么谁帮忙预先处理呢？
操作系统！

操作系统是一个进行管理软硬件的软件。

操作系统有四大常见模块：
进程管理 文件系统 内存管理 驱动管理

 
为什么要管理？
从大概来说，操作系统向下合理的管理各种硬件(手段)，向上为用户提供提供良好的（安全的、稳定的、高效的）执行环境(目的)。

结构关系：

 

2.1 操作系统向下对硬件的管理

我们先看向下合理管理各种硬件

那么如何进行管理的呢？
 
我们可以将这个通过一个例子更好理解一下，我们将操作系统看作校长，驱动看作辅导员，底层硬件看作学生。
 
校长几乎不与学生打交道，依旧能将学生管理起来。
管理者几乎不需要和被管理者进行交互依旧能管理起来！
 
校长是如何对学生进行管理呢？
管理者通常是有重大事件决策权的人，辅导员和学生没有决策权。
而决策是要有依据的！
虽然学生不直接与校长打交道，但是学生的数据，早已被校方拿到。
所以本质不是对人管理，而是对学生的数据进行管理！
通过将学生的数据进行管理起来，只要通过数据的增删查改，就能有效的管理每个学生。

 
管理者和被管理者不直接进行交互，怎么一直拿到数据？
在这两者之间应该还有一个执行者（辅导员），执行上方的命令，与被管理者接触拿到数据，为校方提供数据。
在计算机中，操作系统不与硬件直接交互，而是通过驱动程序去拿硬件数据，交给操作系统。
 
管理的本质：其实就是对数据的管理

管理的本质是通过数据进行管理，那么如何管理数据呢？
决策的执行和数据的采集都由执行者（辅导员）来做。
那么如果被管理者(学生)数据很多怎么办呢？
 
管理者需要数据的种类是一样的！
首先需要知道学生的各种属性，就像C语言学生管理系统，建立学生结构体那样。
之后根据这种学生类，进行实例化（每位学生填自己信息），最后可以通过一个链表将学生们的信息链接起来，通过对链表结构进行管理，从而管理学生。
 
所以其实管理的方法其实就像数据结构一样，先描述再组织。

总结一下:
管理的本质：对数据进行管理。
管理的方法：先描述再组织。

其实不只是操作系统对硬件这样，生活中很多的管理现象都大致是这样。
 

2.1 操作系统对软件

通过一个形象的对比，可以让我们更好认识。

操作系统如何管理软件？
 
首先我们得知道，操作系统也是软件。
人能管理人，软件也能管理软件。
 
操作系统对上不信任任何软件，但同时也要对任何软件提供服务。
这就相当于银行不信任任何人，但同时也要对老百姓提供服务！
用户不能直接访问操作系统，为的是操作系统需要保护自己！
银行不让老百姓直接访问内部，为的是保护自己！
 
为了这种情况，操作系统为外部提供 操作系统接口
相当银行为老百姓提供的窗口。
这种接口也简称系统调用
我们将身份证、银行卡交给银行窗口，这叫做传参行为，经过办理返回现金，这叫做返回值过程。
同样在计算机里，我们将字符串参数传给系统接口，返回结果，这就叫做系统调用。
以上叫做接口式服务
 

不仅如此，银行也有前台经理或是代为老百姓到窗口办理服务的角色！（我们学的，就是如何与前台经理办理手续）
类似的在操作系统之上就有一个软件层，如Shell、C/C++库，为了降低成本的满足了用户指令操作和编程操作。
(比如我们在编程使用printf或cout时，其实就是通过C/C++库，经过函数调用，再调用系统调用，将数据传给操作系统，让操作系统为我们在显示屏上打印。)
 

库函数的来源: Linux操作系统是由C语言写的，操作系统接口，就是C式的接口，而我们编程调用的库函数，其实就是经过封装的操作系统提供的函数调用。
 
库函数是从系统中提取出来的，我们只能通过系统调用接口访问操作系统，比如fork函数。

 
对整个计算机结构有个大概的认知，方便一下我们对今后学习的理解。

本章完~