【Linux】冯诺依曼体系结构、操作系统

1.冯诺依曼体系结构

1.是什么？

常见的计算机，如笔记本；不常见的计算机，如服务器，大部分都遵守冯诺依曼体系结构。

1. 输入设备：键盘、鼠标、话筒、摄像头、网卡、磁盘等。
2. 输出设备：显示器、打印机、网卡、磁盘等。
3. 中央处理器（CPU）：运算器 + 控制器。
4. 存储器：内存。

1. 所有的输入设备和输出设备都叫做"外设"。磁盘叫做外部存储设备，简称 "外存"。
2. 读文件：将磁盘中的数据读取到内存中；写文件：将内存中的数据写入到磁盘中。将这种读写的动作称为 “Input/Output”，简称 "I/O"。
3. 站在内存的角度理解 I/O：输入设备将数据交给内存，叫做 Input；内存将数据交给输出设备，叫做 Output。

知识点：

1. 已知软件运行，必须先加载到内存中（Input）。程序运行之前在哪里？答案：由于程序就是二进制的可执行文件，所以在磁盘中。
2. 为什么程序运行之前要加载到内存中？答案：由于冯诺依曼体系结构规定，CPU 只能从内存中读取数据，无法直接从输入设备直接读取。总结：数据必须从输入设备加载到内存，再由内存加载到 CPU 中。
3. 执行 printf 函数时：并不是直接将数据放入输入设备。而是先将数据放入缓冲区中，需要的时候将数据刷新到输出设备。之所以由缓冲区，这也是冯诺依曼体系结构规定的。
4. 冯诺依曼体系结构数据流动的方向：输入设备先将数据移动到内存，内存再将数据移动到 CPU，CPU 将计算后的数据再移动到内存，最后内存将数据移动到输出设备。数据流动的本质：数据从一个设备 "拷贝" 到另一个设备。冯诺依曼体系结构的效率：由设备的 "拷贝" 效率决定。
5. 在数据层面上：CPU 只和内存打交道，而外设之和内存打交道。内存充当类似 “桥梁”。
6. 在网络中接收和传输数据是网卡起的作用。网卡先获得网络中的数据，再将网卡中的数据加载到内存中，再将内存中的数据加载到 CPU 中，经过计算后，重新加载到内存中，数据又从内存加载到网卡，最后将网卡中的数据传输到网络中。
7. 执行 scanf 函数时：由于软件已经加载到内存中了，所以内存可以获取数据。

关于冯诺依曼体系结构，必须强调4点：

1. 这里的存储器指的是内存。
2. 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/输出设备）
3. 外设（输入/输出设备）要输入/输出数据，也只能写入内存或者从内存中读取。
4. 一句话，所有设备都只能直接和内存打交道。

2.为什么设计成这样？

以上是存储分级：

1. CPU 由寄存器和三级高速缓存组成。
2. 离 CPU 越近：存储容量越小，存储速率越快，但是价格更贵。

问题一：为什么中间需要一个存储器？可以去掉？

1. 若去掉存储器时：由于输入/输出设备的运算速度相较于 CPU 非常的慢，这就导致整个体系结构的效率由 “外设” 决定非常低（木桶效应）。
2. 那么可以将外设更改为 “寄存器” ？答案是：可以，但是计算机的价格会相当的贵。
3. 为了解决 “外设” 和 “CPU” 之间的速度不匹配问题，存储器作为 “桥梁”，既可以节省成本，又可以提升效率。当代计算机是性价比的产物。
4. 冯诺依曼体系结构的历史意义：普通人都可以买得起计算机，网民多了，才构成了当今的互联网。可以说是：构成互联网的必要条件。

问题二：为什么中间加了一个存储器整个体系结构效率就变高了呢？效率不是由最低的 “外设” 决定的？

1. 存在操作系统，将操作系统加载到内存中，操作系统可以提前将外设加载到内存中，CPU 就可以直接从内存中读取数据。“局部性” 原理，可以发挥内存最大的效果。
2. 体系结构的效率：由设备的 “拷贝” 效率决定。数据从外设拷贝到内存，在从内存拷贝到 CPU，这样效率有所提高。

3.数据的流动？

注意：对冯诺依曼的理解，不能只停留在概念上，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。

问题一：用户之间的聊天？

• 数据流动过程：用户之间聊天的前提是先登入qq，也就是qq已经加载到内存了。从硬件方面：内存从键盘读取数据。从软件方面：通过键盘将数据交给qq，而qq就在内存中，所以输入数据就流动到了内存中。数据由 CPU 经过加密、封包后，重新写回到内存中，数据又从内存拷贝到输出设备 “网卡” 中，数据通过网卡传输到网络中，通过网络交付给对方的输入设备 “网卡”，数据又加载到内存（前提：对方qq启动），数据由 CPU 经过解密、解包后，重新写回到内存中，最后数据刷新到了对方的显示器中。

问题二：如果是在qq上发送文件呢？

• 数据流动过程：文件在发送之前在磁盘中，先将文件拷贝到qq中，而qq已经在内存中，等价于将qq拷贝到了内存中，然后内存中的数据经过 CPU 的加密、封包，重新拷贝到内存，再到网卡，传输到网络由对方网卡接收，再加载到内存，内存中的数据经过 CPU 的解密、解包重新拷贝到内存，最后文件到了对方磁盘中。

总结：

1. 聊天的本质：把数据从用户键盘，通过体系结构，转发到对方显示器的过程。
2. 发送文件的本质：把文件从本地磁盘，通过体系结构，拷贝到对方磁盘的过程。

2.操作系统

1.是什么？

操作系统是一款进行软硬件管理的"软件"。

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：

1. 内核（进程管理，内存管理，文件管理，驱动管理）
2. 其他程序（例如函数库，shell程序等等）

若操作系统只有内核，作为应用者而言是无法使用的。

1. 为了在操作系统上进行开发：操作系统会配上自己函数库（系统调用、C标准库）。
2. 用户无法直接跟操作系统打交道，为了用上操作系统：操作系统会提供命令行、图形化界面等。

小知识：安卓手机的低层是 Linux 内核，只需要将一些库，就可以基于安卓做开发。

2.为什么设计操作系统？

1. 对下：与硬件交互，管理所有的软硬件资源。
2. 对上：为用户提供⼀个良好的执行环境。

驱动程序的作用：为了读取不同设备中的数据，需要不同的驱动程序。

1. 软硬件体系结构（就是上图中从硬件到用户）：层状结构。

• 层状结构：高内聚，低耦合。高内聚：将相同功能、逻辑的数据或代码，放在同一层内部。低耦合：层与层之间只使用接口的方式进行互相调用，在数据和逻辑层面上的依赖关系尽可能少。方便代码的可维护性：一个模块的修改不影响开一个模块。
• 计算机在硬件也满足高内聚，低耦合的层状结构。哪个硬件坏了，换哪一个即可。

2. 不能直接访问操作系统，必须使用系统调用（系统提供的函数）

• 操作系统不允许用户直接访问内存，直接读取进程，直接访问文件，直接读取驱动，必须要求用户通过操作系统自己提供的（系统调用：C封装的接口），来访问操作系统。
• printf 函数的本质：将数据写到硬件（显示器）中。但不是直接写到硬件中，整个计算机体系是层状结构，不可能绕过操作系统直接写到硬件中，printf 函数的低层封装了系统调用，通过操作系统对驱动管理进行访问，访问对应的驱动程序，最后将数据写到显示器中。

3. 我们的程序，只要判断出它访问了硬件，那么它必须贯穿整个软硬件体系结构。
4. 库可能在底层封装了系统调用。

3.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。

4.如何理解 “管理”

如何理解 "管理"?

管理的例子：学生、辅导员、校长。

1. 描述被管理对象。
2. 组织被管理对象。

1. 通过先描述，再组织：对任何 “管理” 场景进行建模。
2. C++提供类解决：先描述的问题；提供STL解决：再组织的问题。
3. 操作系统对软硬件的管理都基于：先描述，再组织。

5.系统调用和库函数概念

问题：操作系统要向上提供对应的服务，但是操作系统不相信任何用户（例如：银行），那么如何为用户提供服务？答案：系统调用。

1. 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，这部分由操作系统提供的接口，叫做系统调用。
2. 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。
3. 库函数和系统调用属于上下层的关系。库函数在上层，系统调用在下层。
4. 如何判断库函数内含有系统调用？只要库函数访问了硬件，那么一定含有系统调用。