Linux入门学习：深刻理解计算机硬件与OS体系

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一，硬件体系

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。截至目前，我们所认识的计算机，都是有一个个的硬件组件组成，形成硬件的体系，这个体系叫做冯诺依曼体系。

1.1 冯诺依曼体系

1️⃣输入设备：键盘，鼠标，网卡(网络输入)，磁盘，话筒，麦克风…
2️⃣输出设备: 显示器，网卡，磁盘，打印机…
3️⃣存储器：内存

🔺运行程序，写入程序，读取程序等操作都是在内存进行操作的

4️⃣运算器:对我们的数据进行计算任务（算数运算、逻辑运算）
5️⃣控制器:对我们的计算机硬件流程进行一定的控制
🔺运算器和控制器有一个总称，叫做中央处理器，也就是CPU

从图中我们可以看到，红线为数据信号，这意味着CPU并不能直接的和外部设备和内部设备直接的打交道，外设要使用CPU，则必须要将程序先加载到内存(存储器)，才能使用CPU。黑线为控制信号，这意味着CPU其实是能直接的给外部设备发送控制信号的。

1.2 为什么冯诺依曼体系要有内存

从上面的体系图中我们知道一个结论：CPU在数据层面，是不会和外设直接打交道的，它只会和内存进行交互，那为什么CPU不能直接链接外设？而是从中单独设计了一个内存串联整个线路？

1.2.1 提高效率

容量越大，速度越慢；容量越小，速度越快。CPU和硬盘分别是两个极端。

CPU是纳秒级别的，而外设却是毫秒级别的，他们在数据层面的交互上速度差别太大，需要有一个存储器(内存)作为他们之间的桥梁。

内存是CPU和外设的一个巨大的缓存，CPU和内存交互取决于内存的效率，因为内存空间较大，外设也就可以先将数据加载到内存，这样在一定程度上可以提高效率

1.2.2 支持并行逻辑

木桶效应：木桶能装多少水，取决于它的短板。对于 外设 -> 内存 -> CPU这样的结构，我们很容易就能想到木桶效应，会觉得计算机的效率似乎取决于它的硬盘效率。那为什么要设计内存作为中间的桥梁？在效率上不是互相拖累吗？

如果这段逻辑是串型的，那似乎确实是这样，但是这段逻辑实际上的并行的，CPU并不是一定要等到数据全都加载到内存的才会去工作，其实在我们将数据从输入设备加载到存储器时，CPU可能并没有闲着，而是在处理别的工作。

例如我在外设写了一个程序，我要运行它，就要把它加载到内存，在程序加载到内存的过程中，CPU是不会停止工作的，它在处理其他的工作(进程)，当你的程序加载到内存时，CPU也就刚好要运行你的程序了。意思就是说cpu从存储器中拿数据和外部设备导入到存储器这两个过程是可以同m时进行的！，这极大的提高了效率。

1.3 解答疑惑

😕为什么程序运行要先加载到内存？
👉这是由冯诺依曼体系决定的， 程序其实就是一个二进制文件，文件就是存储在磁盘（外部设备）中的，要去CPU那里才能运行，所以必须要先加载到内存中。

😕为什么scanf printf要有缓冲区，缓冲区在哪里？

👉从冯诺依曼体系下看，scanf其实是对输入设备做指令，printf是对输出设备做指令，那么他们之间要做数据的交互，则必须先加载到内存，所以scanf printf的缓冲区就在内存中。

😕 如果我要在qq与朋友聊天，在冯诺依曼体系下，数据是怎样流通的？
👉

二 OS体系

OS体系就是操作系统，操作系统本质就是一种软硬件资源管理的软件。

2.1 为什么要有OS(为什么)

2.1.1 给用户提供稳定高效安全的运行环境(目的)

OS通过对下进行操作系统对下软硬件资源的管理，可以实现对上提供给用户提供稳定高效安全的运行环境，而操作系统作为软件要操控硬件，必须通过每一个硬件对应的驱动程序去达成联系，每一款硬件都要有自己的驱动程序。例如，我们在插入鼠标，键盘到我们的电脑时，总是要等待几秒才能使用，这是因为操作系统在部署这些硬件对应的驱动程序；再例如我们插入初次插入U盘，电脑的右下角自动的也会弹出正在下载U盘的驱动程序，原因也就在于操作系统正在部署它的驱动程序。结论：驱动程序是我们和硬件打交道的软件（大部分是系统自带的）

对下进行硬件资源的管理是操作系统的手段，它真正的目的是对上提供给用户提供稳定高效安全的运行环境，但我们老百姓是不懂什么系统接口的，不善于与OS打交道，所以用户所用的都是由专业的程序员设计开发好的软件，先由程序员基于各种需求开发出不同功能的软件，用户(老百姓)才能正常方便的使用。

2.1.2 OS不信任任何用户

首先必须明确一个概念，不信任≠不能使用！操作系统必须保证自身数据的安全，所以它必须将自己封闭，任何用户都不能直接绕过操作系统直接的修改任何硬件的数据。同时，操作系统也必须向上提供各种操作的接口(从上图上看，就是system call的相关接口)，OS的设计者用C语言写了一些内部的函数方法开放给外部，我们把它称之为系统调用。

这些接口是OS的设计者基于C语言写了一些内部的函数方法开放给外部，我们把它称之为 系统调用，因为这些接口都是由设计者提供的，所以他的内部自然会存在一些方法能够检测你的行为是否非法，只有合法的行为才能访问他的数据 。

但就算是系统调用，与他打交道也是很难的，才需要程序员基于系统调用去开发软件以便用户使用，所以所有的软件的底层或多或少都与C语言直接或间接有关。

😃👉举个例子，银行也是一个系统，银行有保险库，电脑，桌子…等等设备，银行不信任任何不是银行内部工作人员的人，银行不允许客户直接的从保险库里取钱，所以银行会安排工作人员在前台，处理用户的各种合法的业务；可是有些用户年龄比较大，不会在前台提出自己的需求，甚至不知道前台在哪里，这是银行会提供大堂经理，去帮助这些用户完成他们的业务。在这个例子中，银行就是OS，银行的设备就是计算机硬件，前台就是操作系统向上提供的接口，大堂经理就是程序员开发的软件。

2.2 OS怎么实现管理(怎么做)

OS对下进行软硬件的管理，实现对上的服务，那么，OS是如何进行硬件的管理的呢？

2.2.1 如何管理

通过一个例子，我们能很简单的理解操作系统管理的方式。

在大学中，我们的校长是学校的管理者，而学生显然一定是被管理者，这样就会引申几个问题：

❓Q1：我们与校长几乎面都不见，校长是如何管理好我的?

在这里会得出一个结论：管理者和被管理者不是一定需要见面的！

❓Q2：在管理者与被管理者几乎面的不见的前提，管理者如何管理被管理者？

假设学校要组织校队进行全国数学建模比赛，校领导只要选出学校数学水平最高的一队同学就行，于是校领导组织了一个校内的数学建模比赛，在比赛完后，收集各个同学的考试成绩，按成绩排序选取前几位的同学就行。所以，对于管理者来说，只要知道管理信息，就可以在未来进行管理决策。所以管理的本质是通过对数据的管理，从而实现对人的管理。

❓Q3：管理者是如何收集数据的？

假如学校需要各个同学的身份信息，名字等一些列数据，肯定不是一个一个找同学要的，而是拜托我们的执行者----辅导员，让每个年级的辅导员收集好每个同学的信息，将他们的数据用excel排列好，再向上级提交。学校需要将这些数据填入学校的数据库，肯定也不是一个excel表格直接丢进去的，而是让程序员(C语言)先设计好能记录每个学生信息的结构体！

用数据结构将他们的信息保存好来，在结构体中加入next指针，这样就可以以链表的形式将这些数据串联起来，就能很好的实现对这些数据的管理！在这个阶段，如果校领导要对学生进行管理，就把对学生的管理转变成了对链表的管理！对学生信息的排序，录入，删除，变成对链表的增删查改！问题也就从对人的管理，转变为对数据结构的管理！

在上面的例子中，我们的校领导(管理者)就是OS，辅导员(执行者)就是驱动程序，学生(被管理者)就是硬件。

2.2.2 先描述再组织

在上面的例子中，我们理解OS是如果管理硬件的，在此之中，发现了管理者通过描述出被管理者的结构体，然后再通过数据结构组织起来，然后再实现一些相关的算法去实现管理。所以就引申出了一个概念——先描述再组织。

先描述再组织的面向对象设计语言的核心思想了，想想我们是理解面向对象的概念的，是不是先描述这个对象相关的属性/方法，再把他们组织起来成为一个类的？！！例如上面校长学生的例子，校长通过对学生这个对象的相关属性描述出来：名字，学号，性别，电话…再用数据结构将他们组织起来，基于这样的数据结构再设计对应的排序或者其他的算法，从而实现管理的目的。往后要设计任何的软件，都是以先组织再描述的思想实现的！

另外在OS中，我们还可以知道：在OS中管理任何的对象最终都可以转化为对某种数据结构的增删查改！！往后学习的进程同样如此。

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