解码冯・诺依曼：操作系统是如何为进程 “铺路” 的？

目录

1. 冯诺依曼体系结构 

结构介绍

深入理解

2.操作系统

 2.1概念

2.2设计OS的目的

2.3理解操作系统

核心功能

如何理解管理

3.系统调用和库函数

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1. 冯诺依曼体系结构 

结构介绍

我们常见的计算机，如笔记本。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。

输入设备： 键盘，鼠标，话筒，摄像头，磁盘等。

输出设备：显示器，磁盘，网卡，打印机等。

CPU=运算器+控制器

存储器：内存

深入理解

关于冯诺依曼，必须强调几点：

这里的存储器指的是内存

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(输入或输出设备)

外设(输入或输出设备)要输入或者输出数据，也只能写入内存或者从内存中读取。

所有设备都是只能直接和内存打交道。

1.读文件把磁盘文件读到内存，同时我们也能向磁盘写文件，可以成为IO（Input/output）-》站在内存的角度。 

 2.软件运行，必须先加载到内存？程序运行之前，在哪里？磁盘->文件

3.CPU获取，写入，只能在内存中来进行。CPU在数据层面，只和内存打交道，外设只和内存打交道。

4.程序加载的本质是IO

这都是体系结构决定的。数据是从一个设备“拷贝”到另一个设备。体系结构的效率：由设备的“拷贝”效率决定。

对冯诺依曼的理解，不能停留在概念上，要深入到对软件数据流理解上，请解释，从你登录

上qq开始和某位朋友聊天开始，数据的流动过程。从你打开窗口，开始给他发消息，到他的

到消息之后的数据流动过程。如果是在qq上发送文件呢？

站在冯诺依曼体系结构上，A用户从键盘输入消息数据到内存，网卡读取内存的消息，在网络作用下，B用户通过网卡读取数据到内存上，显示器输出设备读取内存消息。

文件是一样的，设备变成了磁盘。

操作	输入设备	内存交互	运算器/控制器	输出设备
键盘输入	键盘	写入内存	控制器解析字符输入	-
文本发送	鼠标/控件	控件数据 → 网络缓冲	控制器调用协议栈	网卡发送
消息接收	网卡	网络数据 → 应用内存	控制器通知显示模块	显示器
文件发送	文件/磁盘	读取文件 → 内存	控制器分包压缩发送	网卡
文件接收	网卡	接收 → 存内存	控制器写文件操作	磁盘

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）

操作系统是一款进行软硬件管理的软件。

2.2设计OS的目的

对下，与硬件交互，管理所有的软硬件资源

对上，为用户程序（应用程序）提供一个良好的执行环境

1.软硬件体系结构是层状结构，体现高内聚低耦合。

2.层的理解可以类比C++的继承

3.访问操作系统，必须使用系统调用->其实就是函数，由系统提供的

4.我们的程序，只要判断访问了硬件，那么它必须贯穿整个软硬件体系结构，要系统调用。向printf函数都封装了系统调用

5. 库可能在底层封装了系统调用

2.3理解操作系统

核心功能

在整个计算机软硬件架构中，操作系统的定位是：一款纯正的“搞管理”的软件

如何理解管理

管理的例子=学生，辅导员，校长 

描述被管理对象

组织被管理对象

校长是管理者，学生是被管理者，在事情的发生中，管理者具有决策权，而辅导员负责执行校长的命令决策。

如果校长要管理所有的学生，两者可以不需要见面，管理者可以通过被管理者的数据进行了解管理。不需要见面，如何得到数据？由中间层获取，辅导员可充当。校长对学生的管理进一步对学生数据的管理-增删查改   ，管理学生的过程就是建模的过程

操作系统要控制底层硬件，通过数据，由驱动程序获取数据。

在代码上，我们可以通过结构体（类）将数据属性放在一起，组织起来可以用链表或者其他数据结构连接起来。

那么操作系统管理硬件呢？

1.描述起来，用struct结构体，类。

2.组织起来，用链表或者其他的数据结构，STL容器。

即先描述在组织，在面向对象中就是类和容器的关系应用。

在不了解进程时，对进程管理也是先描述在组织。对文件也是如此。

3.系统调用和库函数

操作系统要向上提供对应的服务。操作系统不相信任何人或者用户，那么如何提供服务？通过系统调用。

向银行通过相关窗口提供服务。

操作系统一般是C语言写的，系统调用相当于C实现的函数，大多数的函数有输入参数和返回值，输入参数是用户给操作系统的，返回值是操作系统给用户的。

系统调用的本质是用户和操作系统进行某种数据交互。 

在开发角度，操作系统对外表现为一个整体，但是会暴露自己的部分窗口，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，对于用户要求相对也比较高，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。