【Linux 学习计划】-- 冯诺依曼体系 | 操作系统的概念与定位，以及其如何管理软件
目录
冯诺依曼体系结构
操作系统是干什么的？
理解操作系统中的管理
对OS（操作系统）宏观、整体的分析
总结
结语
冯诺依曼体系结构
首先我们来看这样一张图，这就是大名鼎鼎的冯诺依曼体系
在日常生活中，所有的计算机都是遵循冯诺依曼体系结构的
其中这里面有很多都是我们日常生活中耳熟能详的
比如输入设备：键盘，麦克风摄像头等等，输出设备：显示器，声卡，网卡等等
还有像CPU和存储器（其实就是内存），这些我们在日常生活中都是很常见的
同时，我们的数据也必须是在这个体系中流动的，比如你要敲键盘，然后数据要在显示器中显示出来，而数据流动的本质就是复制，所以这就要求冯诺依曼体系中的每一个结构都有一定的存储能力：存储器不必多说，CPU中有寄存器等等
但是，为什么要有存储器呢？直接输入设备链接CPU链接输出设备不就好了吗？
这时我们就需要引入一个概念了，叫做木桶效应，也就是说，计算机整体的效率是由最慢的那个决定的
而我们效率的主要矛盾是什么？CPU的计算速度非常快，这肯定不是主要矛盾，所以最关键的就是数据流动的速度，也就是数据复制的速度
同样的，我们的CPU很快，但是输入和输出设备非常慢，所以导致我们的整体效率就被拖垮了，这也就是为什么我们需要一个内存作为中间桥梁的原因
因为内存中可以预先加载大量数据，CPU不必等数据全部从输入设备中来了才去计算，只需要从内存中读取即可，甚至还能在输入设备传输数据给内存的同时，CPU直接计算好顺带将数据返回给内存顺便给输出设备，这样我们的效率就提升了好几个量级
而同时，冯诺依曼体系结构规定：
CPU之和内存打交道，不和外设打交道
外设的数据只会交给内存，然后再交给CPU处理，最后再给回内存
所以，我们以前学习的时候，可能很疑惑，为什么代码一定要先加载到内存中才能跑起来
现在我们明白了，这时冯诺依曼体系结构要求这么干的，而我们的程序在没有跑起来之前，被放在了磁盘，也就是外设，只有加载到内存里面了，才能交给CPU然后跑起来
最后我们来说一下，为什么冯诺依曼体系结构那么伟大
大家看到这里其实还是比较无感的，认为这就是一个普通的知识点，而这时我们又需要引入一个概念了，叫做存储金字塔：
我们因为需要提升电脑的效率，所以有了存储器
如果你是一个土豪，你当然可以直接用各种寄存器充当内存只为追求极致的效率
但是这样的电脑，可能就需要成百上千万，根本不是老百姓消费得起的
而内存，没那么贵，但是却能够给我们老百姓提供一台效率相对不错的电脑，而老百姓买得起了，才会有那么多的网民，才能养活这么多的互联网公司，才有了如今的互联网时代，这也就是为什么说冯诺依曼体系结构是伟大的
最后举一个例子来演示一下冯诺依曼体系现实中的样子：
比如有两个人此时在wechat上面想聊天，那么左边的人，就需要通过键盘（输入设备）输入消息，然后消息加载到内存，通过CPU执行操作（比如说加密），最后传输给网卡（输出设备），中间网卡之间消息互传的部分，比如说tcp/ip这里就不讲了，最后消息就给到了右边的人
右边的人拿网卡（这时是输入设备）接收到了消息，然后消息加载到内存，交给CPU操作（比如说解密），最后给到右边的人的显示器（输出设备）
至此，两个人之间就能够互传消息了
操作系统是干什么的？
操作系统的作用就是：对系统中的软硬件资源进行管理
我们来举个例子（这张图并不全，这里只讲解硬件部分）：
外设，是有很多种类的，还有不同的厂商，都是完全不一样的，所以我们的操作系统是不能直接对硬件进行管理的
比如说：市面上有很多游戏，现在厂商来了，说你要玩我这个游戏，你就自己去找资源，自己找地方买吧，这个时候，我们甚至可能买到盗版的，而这个过程是一个非常不好的体验
而这时来了一个steam，他把游戏全部都管理起来，就对玩家说，要玩？来我这里买，里面的付款啊，下载安装啊等等程序我都帮你处理好了，然后只给你提供对应的按钮，你点击就可以付款下载安装了
而steam这个角色在我们今天这个情景里，就是中间紫色的驱动程序
所有的驱动程序都是厂商自己写的，然后当我们硬件连接系统的时候自动安装（比如有些鼠标，我们刚接上电脑的时候没反应，过一小会听见“噔”一下，然后右下角说什么驱动程序已安装完毕）
而驱动程序都是文件，所以我们的操作系统只需要将这些文件管理好，就能将硬件管理好了
而这里我们只是以硬件为例子，而其他软件也是殊途同归
由此我们就能大概了解，为什么说OS（操作系统）是对软硬件进行资源管理的了
理解操作系统中的管理
你，是一个校长，今天你需要管理你学校里的学生
但是你并不需要直接和每一个学生都见面，你只需要得知每一个同学的数据，就能管理起来了
而你在当校长之前，你还是一个写c语言的程序员，你就想到，可以用struct创建一个学生类型，只要将学生的数据填进去即可
如果要管理起来，就在struct stu里面加上一个指向同样类型的指针，把每一个类型都连接起来，形成一个单链表
这样，我们对学生的管理就变成了对这个单链表的增删查改
比如今天我要找绩点最高的同学，好好表扬一下，那就是在这个链表中找到绩点那个数据最大的那个对应的同学，如果有个同学犯事了，要开除，那也就是把对应节点删掉而已
所以，管理的本质就是，先描述，再组织
接下来我们再回到我们最开始讲的OS与硬件和驱动程序之间的关系
我们的硬件自带了驱动程序，而我们的OS就是校长，将所有的驱动程序当成对应的类，填充对应的数据，就能够用数据结构管理起来，所以对硬件本身的管理，就转变成了对特定数据结构的增删查改，也就是先描述再组织
对OS（操作系统）宏观、整体的分析
现在再来看这张图，其实就亲切很多了
OS，对下要管理好各种硬件，对上，要给用户提供各种接口，管理好各种软件
总的目的就是：为用户提供一个良好、稳定、安全、高效的系统
对下我们前文讲过了，就是通过对硬件提供的驱动程序，进行先描述再组织，从而将硬件的管理转换成对特定数据结构的增删查改，从而管理硬件
对上我们现在来讲
首先，我们用户是不能直接管理硬件的，也不能进入操作系统内部
试想一下，银行会允许用户直接走到仓库里面存钱，然后自己输入存了多少钱吗？当然不会。同样的，万一用户操作不当，把OS搞fei了，那不就完damn了嘛
所以对上，OS会提供很多的接口给用户使用，也就是上图中的（system call）系统调用接口
对应的例子可以是银行前台的各种窗口：
你把钱和信息给对应的工作人员，让他们通过这些窗口帮你处理各种业务即可
但是银行中可能还有一些老大爷老大妈，他们甚至都不认识字，所以银行中就有比如客户经理，你不会写字我帮你写，资料什么的我帮你处理好转接，这也就是最上面的用户操作接口
而在过去，我们所有人都是老大爷老大妈，因为用户操作接口中有一个叫做 lib，也就是库函数
我们之前敲代码用的stdio.h就是这里面的东西
总结
冯诺依曼体系结构是计算机中约定俗成的一种结构，其中，输入输出设备都会直接也只会和内存进行联系，而CPU也是只会和内存进行联系，因为内存可以预先加载大量数据，从而提升计算机的整体效率（因为计算机效率的主要矛盾点就是数据的复制）
到了操作系统章节，操作系统可以用结构体将所要管理的东西描述起来，可能是驱动文件，可能是后面要讲到的进程等等，接着再用对应的数据结构管理起来，将对对应对象的管理转变成对对应数据结构的管理
而操作系统通过这些管理，最终达成对下管理好各种硬件，对上能为用户提供各种调用接口并管理好各种软件，最终为用户提供一个良好、稳定、安全、高效的操作系统
结语
这篇文章到这里就结束啦！！~(￣▽￣)~*
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