冯诺依曼体系结构的理解和操作系统的极简介绍【Linux操作系统】
冯诺依曼体系结构相关结论
冯诺依曼体系结构如下图：
现在基本上所以计算机硬件上采用的都是冯诺依曼体系结构
结论：
①输入设备和输出设备都是外设（外部设备）
②存储器就是内存（狭义理解）
③CPU=运算器+控制器
④CPU要运算的数据只能从内存读取，运算结果也只能输出到内存
所以CPU的运算不会于外设有任何交互
为什么下面会说
⑤我们写的代码编译之后形成的就是可执行文件→可执行文件也是文件→是文件就存储在磁盘中→磁盘是外设→ 可执行文件是外设中的数据
⑥任何程序运行的时候，都必须先被（从磁盘）加载到内存
为什么呢？
因为⑤中说的，程序底层就是二进制程序，它被存储在外设（磁盘）中
又因为④所说的CPU运算的数据只会从内存中获取，而程序运行就是CPU运算的过程（结果）
所以程序必须加载到内存，才能被CPU获取到相关数据，才能被CUP运算
为什么要有内存？为什么CPU只和内存进行数据交互？
因为外设处理数据的速度非常慢，而CUP则非常快
所以如果直接让CPU和外设进行数据交互，根据木桶原理， CPU就会被外设拖累。
那么整个程序运行的速度就会很慢。
而如果有内存（内存的数据处理比外设快很多），因为内存的大小远远大于CUP
CPU一次只能读一行代码
所以如果不进行规划，CPU也根本就不知道什么时候该读什么代码，怎么读到代码
但是内存的空间远大于CPU，所以内存不仅可以提前从外设读取数据
还有足够的空间对读入的数据进行规划和管理，规划好之后，CPU只管读就行
CPU只和内存进行数据交互，虽然内存比他慢，但他最慢也就是和内存一样
外设也只和内存进行数据交互，但是因为内存的数据比较大，所以可以提前加载数据，可以加载更多数据，进而提升效率。
不仅外设可以，CPU也可以把运算的结果先放在内存里，等累积多了之后一次IO就可以全部写给外设
内存相当于是CPU和外设之间的一个巨大的缓冲区
所以CPU和外设的数据处理速度就都由内存决定
这样就可以提高程序整体运算的速度
操作系统
操作系统本质也是软件
操作系统笼统的来说包括两个部分
①内核
②外壳（其他程序）
但是我们以下谈的内容中的操作系统只指内核
什么是操作系统？
操作系统本质是一个进行软硬件资源管理的软件
用户只需要发出命令，操作系统接收到命令之后就会自动地把命令执行完毕
设计操作系统的目的
设计操作系统是为了：
操作系统可以做到管理软硬件资源，保证它们稳定的，安全的，高效的运行
借此为上层的用户提供稳定的，高效的，安全的工作环境。
操作系统的层状结构：
①最底层的硬件一定是根据冯诺依曼体系结构设计的
②每一个底层硬件都拥有自己的驱动程序
③操作系统通过硬件的驱动程序操控硬件，获取硬件的信息
④上图中的层状结构，上层想要访问下层，必须一层一层地向下访问，不能跨层访问
例
操作系统访问硬件，只能先把要求交给驱动程序，再通过驱动程序对硬件进行操作
而
不能直接操作硬件
操作系统是如何管理软硬件的？
操作系统并不会于硬件直接打交道
那么它如和管理呢？
其实管理的本质是：对数据进行管理
操作系统只要获取了硬件的相关数据，就可以直接做出对应的决策
那它如何获取数据，执行决策呢？
其实就是
1.由驱动程序把收集到的硬件数据交给操作系统
2.操作系统分析数据之后再把决策告诉驱动程序
3.最后驱动程序在对硬件执行决策
那么操作系统如果分析处理又多又乱的硬件的信息呢？
举个例子：
一个学校的校长要管理2w个学生
校长不可能直接一股脑地把2w个学生的信息全部处理完，因为信息太多，太乱，找不到对解决当前问题有效的信息
所以校长必须借助工具，对学生的信息进行管理
-
把所有被管理者的有用的信息进行整合
校长先创建一个模型（类），它可以把一个学生的相关属性都装下来
创建2w个对象就可以都装下来，让每一个学生都对应一个对象 这样就剔除了无用的信息 -
把所有信息按一定规则保存，方便增删查改
然后，为了快速地增删查改学生的信息，就再把学生对象全部放进一个数据结构中
这样校长就把管理学生变成了对一个数据结构的增删查改
操作系统管理硬件也是如此：
①根据所有硬件的共同属性，创建出一个类
每来一个硬件就实例化出一个对象，让硬件与对象一一对应
这样就完成了建模（描述）的操作
②为了快速地对信息增删查改，就再把所有的硬件对象放进一个数据结构中
这样就完成了组织的操作
用户如何使用操作系统？
举个例子：银行系统
1.银行里面有各种各样的硬件（仓库，设备等）
2.还有管理硬件的人（对应驱动程序）
3.还有处理业务的工作人员（对应操作系统）
银行为了保证安全，不可能直接让用户去仓库里存钱和取钱
所以银行一定会把自己封闭起来，保证自己和钱的安全
但是银行必须对外提供服务，所以就只能开窗口，让用户通过窗口进行业务处理
操作系统也是如此
操作系统不可能让用户直接访问硬件，这样太不安全了，而且大部分用户也根本不知道如何使用硬件
所以操作系统一定会把自己和自己之下（硬件和驱动程序）的东西封装起来
然后提供一个窗口给用户访问，这个窗口就是系统调用接口
系统调用可以保证上层的用户，在可控的，安全的情况下，通过操作系统提供的有限的接口使用操作系统的资源
访问操作系统，只能通过系统调用接口访问
但是使用系统调用接口访问操作系统对于大部分人来说（尤其是非程序员），还是太困难了，根本不知道怎么用
所以在它之上又有外壳程序，图形化界面，标准库
它们对系统调用进行了封装，让用户可以更好地使用