【Linux系统编程】冯诺依曼体系结构与操作系统
目录
1、冯诺依曼体系结构
1.1 冯诺依曼体系结构的组成
1.2 程序运行时必须要加载到内存
1.3 数据通信
1.4 为什么要有内存
2、操作系统
2.1 概念
2.2 设计OS的目的
2.3 如何理解管理
2.4 系统调用和库函数的概念
1、冯诺依曼体系结构
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。
1.1 冯诺依曼体系结构的组成
冯诺依曼体系结构主要由输入设备、输出设备、存储器、运算器、控制器组成。
输入设备：键盘、鼠标、网卡、磁盘、摄像头、话筒等等
输出设备：显示器、磁盘、网卡、打印机等等
输入设备和输出设备统称外设，也就是外部设备
存储器：实际上就是内存
运算器和控制器统称为中央处理器：也就是CPU
外存是指以磁盘为代表的具有存储功能的外部设备
1.2 程序运行时必须要加载到内存
我们之前常常听到这样一句话：任何程序，运行的时候，都必须先被(从磁盘)加载到内存
要弄明白这句话，就必须要了解清楚冯诺依曼体系结构是如何运行的。
从图中黑色线条的控制信号可以看出，CPU是可以直接向外设发送控制信号的，但是对于数据信号，必须通过存储器也就是内存与外设进行交互。我们写的源文件，编译生成二进制可执行程序后，就是一个文件，默认是存储在磁盘上的，磁盘是外设，二进制程序就是代码+数据，代码需要CPU执行，数据需要CPU计算，都需要CPU，所以一定需要将可执行程序交给CPU。但是磁盘是外设，在数据层面是无法与CPU进行交互的，必须借由内存。所以，要先将文件从外设拷贝到内存，内存将文件拷贝到CPU，CPU将处理结果拷贝回内存，内存再将数据刷新到外设。
所以，为什么任何程序，运行的时候，都必须先被(从磁盘)加载到内存？答案：是体系结构决定的
之前写进度条时，要有缓冲区的存在，缓冲区就是一块内存空间，运算器更新完结果后，数据是更新到内存中的，再由其他控制命令将数据刷新到设备上。没有缓冲区是无法完成这一过程的。
在IO流中，Input就是将数据从输入设备拷贝到存储器，Output就是将数据从内存刷新到输出设备
scanf就是将键盘作为输入设备
1.3 数据通信
我们来简单模拟一个两个人使用聊天软件聊天时的数据通信
A和B通过电脑使用QQ进行聊天，A和B的电脑都是冯诺依曼体系结构，因为还没学网络，所以中间的网络部分就忽略掉。QQ是一个软件，运行起来后就会变成一个可执行程序，并加载到内存中。键盘作为输入设备，输入数据后，将数据从输入设备加载到内存是通过QQ来完成的。
加载到内存后，CPU就会从内存读取数据，通过QQ对数据进行运算、加密等，再将处理结果写回内存。电脑中连接网络的设备是网卡，所以将处理好的结果从内存写到网卡
通过网络就可以将数据发送到对方的输入设备上，对方的输入设备的网卡。接着输入设备将数据加载到内存，CPU从内存中读取数据，对数据进行解密等，再将处理结果写回内存，内存将处理结果刷新到输出设备，这里的输出设备是显示器。
1.4 为什么要有内存
在冯诺依曼体系结构中，CPU要与外设进行数据层面的交互时，都必须要经过内存，那为什么一定要有内存呢？我们先来看一个计算机内的存储金字塔
会发现计算机中离CPU近的硬件，如寄存器，缓存，内存等，容量小，速度快。若无内存，CPU直接与外设打交道，计算机的效率就是由外设的效率决定的。若有内存，CPU与内存打交道，读写效率就由内存决定，外设也与内存打交道，因为内存空间较大，所以可以用一些算法将外设的数据提前写入内存，从而提高效率。当然，若想极致地快，可以使用寄存器去充当内存，但是这样造价高昂。所以，有内存，是以较低的成本，完成较高的效率。
所以，当数据在计算机内部流转的时候，本质是在不同设备间进行拷贝，设备的拷贝效率就是计算机的效率
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），内核主要由这四大块构成
其他程序（例如函数库， shell程序等等）
宏观上操作系统是一整套的，往后说的操作系统往往指的是操作系统内核
2.2 设计OS的目的
我们来看一张从用户到计算机底层的图
会发现，计算机的整个软硬件结构是层状结构的
操作系统对于计算机内的软件：如开启APP，新建文件等，是通过操作系统完成的
操作系统对于计算机内的硬件：如内存、磁盘、显卡等，通过驱动程序对硬件做管理，硬件并不是由操作系统直接访问的，每一种硬件都必须要有对应的驱动程序，操作系统通过控制驱动程序来控制硬件，如硬件读取到的数据，操作系统不会向硬件要，而是向驱动程序要。操作系统最先开始会安装部分驱动，这部分驱动对应的硬件可以直接使用，若想要使用没有安装驱动程序的硬件，需要先安装驱动程序。
用户操作窗口中，就有C/C++的库、指令等
从上面的层状结构可以看出：
1. 操作系统对下进行软硬件资源的管理，保证软硬件能够稳定地、高效地、安全地进行工作(手段)
2. 操作系统对上要给用户提供一个稳定的、高效的、安全的运行环境(目的)
设计操作系统的目的：通过对下进行软硬件资源的管理，保证软硬件能够稳定、高效、安全地工作，以达到操作系统对上提供给用户一个稳定、高效、安全的运行环境的目的。
2.3 如何理解管理
我们首先来看上面图片中的下三层，操作系统是如何对软硬件进行管理的
我们可以举一个例子，我们将大学抽象成一个校长、几个辅导员、非常多的学生，校长要对学生进行管理，但是校长与学生是不会见面的，校长是如何一个人管理这么多学生的呢？实际上，管理的本质是对数据进行管理，只要管理者能够拿到被管理者的数据，就能将被管理者管理起来。所以，校长并不需要和学生见面，只要能够拿到学生的成绩，就能够将学生管理起来。同时，管理者与被管理者之间还需要有一个角色，这个角色对上，将采集、获取到的数据，交给管理者，对下，传达管理者的指令，并执行管理者的决策。在这里面，操作系统就是校长，驱动程序就是辅导员，底层硬件就是学生。
我们通过这个例子了解到了在一个管理系统中，管理者的作用就是：根据被管理者的数据，来进行决策下一步需要做什么事情，或者需要对原先的事情做出什么样的调整
假设我们现在是一个管理者，也就是校长，全校有2w名学生，我们要如何管理好这2w名学生呢？
前面说了，管理的本质是对数据进行管理，所以，我们需要先将这2w名学生抽象成数据，每一名学生都有姓名、性别、年龄、籍贯、身高、成绩等等的属性，我们可以通过这些属性来对学生进行管理。在C语言中，我们可以使用一个结构体来保存每一个学生的属性
struct student
{char name[64];int sex;float score;...
};通过使用结构体，就可以定义不同的对象，每一个对象都是一个学生的属性。但学校有2w名学生啊，定义2w个对象要如何组织起来呢？此时就需要使用到数据结构了，我们这里简单地使用链表
struct student
{char name[64];int sex;float score;...struct student* next;
};这样，我们就将校长对学生的管理，变成了对链表的增删查改操作。同时，我们也完成了对于学校学生管理工作的一个计算机层面的建模工作。
在操作系统管理底层硬件时，与校长管理学生是类似的。每一种硬件都会有属性，并且这些硬件的属性可以是相同的。操作系统内部会封装一个结构体，假设弄成链表结构。一旦识别到一个新设备，通过驱动程序就可以报告给操作系统，操作系统就可以做出相应的调整。
这种管理思想称为先描述，再组织。任何计算机对象，管理思想均为先描述，再组织。
所以，为什么现在主流的编程语言都要提供：1.面向对象 2.标准库，如C++
语言提供的面向对象，可用来描述属性，标准库可用来组织。所以可以直接使用编程语言来完成被管理对象的先描述，再组织，进而完成一整套系统。
操作系统要做管理，会定义大量被描述起来的对象，如网卡、硬盘、内存、文件、进程，并且有大量的数据结构，各种管理，都会变成对数据结构的增删查改
是先有的操作系统，再有的语言
为什么要有数据结构？
最先开始时，只有语言，以及操作系统，无论是操作系统，还是其他软件，都需要先描述，再组织。为了支持再组织，就有了数据结构。(数据量太大时，一定需要再组织)
为什么要有面向对象？
写软件时，最后就会变成怎么样去将一个对象描述起来，用struct太麻烦
有了面向对象和数据结构，就可以使用语言进行更好地管理了
2.4 系统调用和库函数的概念
接下来我们看上面图片中的上三层
我们再来举一个例子，银行也是一个系统，里面有行长、工作人员、底层的硬件(如设备、仓库、宿舍、桌椅)，每一种硬件都有对应的维护人员。当客户要来银行中办理业务时，不可能让客户去直接使用银行内的硬件，如直接自己将钱放进仓库，这是不安全的。所以，银行会对外开发许多的窗口，当客户需要办理业务时，就去对应的窗口办理。所以，整个银行系统是通过窗口来保证对外提供服务的，对于操作系统也是如此。上层用户不能绕过操作系统直接操作硬件，即操作系统是封闭的，为了让用户能够操作，就需要给用户提供接口，提供的这些接口，就是系统调用。用户只能通过系统调用使用操作系统。
我们需要知道，操作系统是C语言写的，所以接口是C语言接口。C语言中的scanf和printf是C语言封装的函数，底层是一定要调用系统调用的。cin和cout是C++中类实例化出的对象，类中的成员方法也是需要调用系统调用的。C/C++可以直接调用系统调用，与调用函数没有区别。java等其他语言，也是需要通过C语言来调用系统调用的，像java中有虚拟机，java的所有程序都是在虚拟机上跑的，虚拟机就是C语言写的，通过C语言来完成系统调用。所有软件底层，都必须直接或间接与C相关
为了方便用户进行操作，可以将系统调用封装成库，像glibc是C标准库，libc++是C++标准库。注意，不是所有的库都需要封装系统调用，如只使用CPU资源，而不使用操作系统资源的库，C语言中的math.h库就是
所以，我们现在要操作操作系统，有两种方式，可以直接使用系统调用，这就类似于去银行中直接去银行开设的窗口办理业务，也可以使用封装的库，这就类似于通过银行的大堂经理完成业务的办理。
这里插入一个题外话，图形化界面也是一个用户操作接口
图形化界面本质就是访问显示器，显示器是一个二维坐标，上面有很多像素点，若某一区域是绿色的，只是这一区域的像素点被绿色点亮了，本质是将像素点按照运算规则刷新到显示器上，与printf打印字符没有任何区别。图形化界面中，点击某一区域就会被操作系统识别，识别后，就会将鼠标点击的行为转换为系统调用接口。安卓就是linux内核 + 图形化界面。国内大部分的APP都是基于图形化界面提供的上层接口，所以图形化界面也要配一个库，此时就是安卓开发。