文章目录

一、冯诺依曼体系结构
二、操作系统
- 1. 管理的本质
三、计算机的软硬件体系结构
- 1. 计算机软硬件层状结构

一、冯诺依曼体系结构

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冯诺依曼体系结构各个部件的意义：

输入设备：可以从键盘获取用户输入，从磁盘文件获取输入，通过网卡从网络中获取信息等，将数据输入到计算机中
CPU：计算数据
输出设备：可以将数据的计算结果输出到显示器供用户观看，输出到磁盘文件中保存，通过网卡将数据发送到网络中等，将数据的计算结果呈现给用户

计算机可以只由输入设备、CPU 和输出设备组成，CPU 从输入设备获取数据，计算后输出到输出设备中

在上述情况下 CPU 和外设是互相协作的，由于外设(输入输出设备通被称为外围设备，简称外设) 一般都比较慢(以磁盘为例)，而 CPU 的计算速度却很快(和磁盘的读取速度相差了100万倍)，就会导致计算机整体的速度以外设为主了(类似于木桶原理：木桶装多少水是取决于最短的一块板的)

内存：为了提供计算机的整体速度，引入了比磁盘更快的内存作为中间介质
- 在 CPU 访问数据的同时，根据局部性原理(访问数据时，大概率会访问数据周边的区域)，便可以将数据预加载到内存
- CPU 直接到内存中取数据，计算完后将数据放到内存
- 内存会根据刷新机制将数据输出到输出设备中

冯诺依曼体系结构

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在这种情况下就可以避免 CPU 和外设交互了，也就将计算机的整体速度变为以内存为主了

通过冯诺依曼体系结构可以知道 在数据层面，CPU 只和内存打交道，外设只和内存打交道，于是便可理解为什么 一个程序运行起来必须先加载到内存中，因为可执行程序就是一个二进制文件，在 Linux 当中，统一被称为普通文件，而文件都是被保存在磁盘中的，由于磁盘是一个外设，根据体系结构，CPU 不直接和外设交互，因此要执行这个程序，这个文件就必须要先加载到内存中，然后 CPU 访问内存执行该程序

那操作系统是在什么时候把程序加载到内存的？
在 Linux 中，./可执行程序，便会让操作系统把程序加载到内存
在 Windows 中，双击一个程序，操作系统便会把程序加载到内存中

在硬件层面，单机的数据流是如何流向的：
当我们双击网易云音乐的时候，网易云音乐软件就会从磁盘加载到内存中，然后 CPU 进行计算，计算完后将结果放到内存，内存将结果输出到显示器上，我们就能看到相应的窗口了，当我们点击播放音乐时，网卡从网络中获取数据，然后加载到内存中，然后 CPU 进行计算，计算完后将结果放到内存，内存将结果输出到音响上，我们便能听到声音了

在硬件层面，两个主机之间数据流如何流向的：和单机一样，都要遵循冯诺依曼体系结构
假如张三和李四在聊 QQ，张三对李四发了一个在吗？
首先键盘获取张三的输入，然后将数据加载到内存，由于数据在发送的时候是需要加密的，CPU 通过计算后，把加密后的数据放到内存中，内存将数据放到本地的显示器中给我们观看，并且将加密的数据放到网卡中，网卡就会将数据发到网络中，李四的计算机就通过输入设备网卡，从网络拿到数据，然后加载到内存中，CPU 对数据进行解密，然后将解密的结果放到内存中，内存将数据放到输出设备显示器上

可以发现因为硬件的决定，数据流的流向都是需要遵守冯诺依曼体系结构的，数据必须从输入设备加载到内存，CPU 从内存取数据进行计算，然后将计算结果放到内存中，内存根据刷新机制将结果放到输出设备

软件也可以被理解为这里的数据，因此软件的运行也是遵守冯诺依曼体系结构

补充：对于以上都是在数据层面的理解，对于有些控制信号，CPU 是可能会直接和外设打交道的
现在的计算机除了 CPU 的芯片外，还存在另一个芯片用于将外设的数据搬到内存中
有些设备既可以充当输入设备，又可以充当输出设备，网卡，磁盘等

二、操作系统

在冯诺依曼硬件的体系结构中，诸如什么时候把文件预加载到内存，加载的文件是那一部分，预加载时内存空间不够了怎么办，CPU 如何快速找到预加载的数据，计算结果的文件该保存到什么位置，这些很多问题，只有硬件是做不到的(硬件是死的)，因此为了做到这些，我们还需要对软硬件资源进行管理，于是便产生了操作系统

操作系统是一款对软硬件资源进行管理的软件，因此操作系统的核心功能是进行管理(操作系统是软件，因此操作系统要运行就必须要预先加载到内存中，开机时，就是在加载操作系统)

1. 管理的本质

在生活中，我们做一件事时，无非会经历两种状态，决策(决定是否做)和执行(做这件事)
在组织中，你可以发现，真正的管理者往往做的只会是决策，而不会是执行，如：在公司中老板不会去写代码，而是在办公室决定某个计划是否执行，在学校中，是否举办比赛都是由校长决定，确定举办后下发给院系辅导员去做，然后辅导员再去通知学生按时参加

以学校为例，对于学生这个被管理群体而言，真正的管理者并不是辅导员，而是校长，辅导员只是一个中间执行人

在学校中，我们学生基本接触不到校长，但是校长却能把学校的众多学生管理好(学生按时上课，按时参见考试，是否需要留级等)

校长不接触学生是如何管理学生的呢？
学生在学校中会产生各种数据(如：学号，电话，成绩，学分等等)，而校长只需通过某个学生的数据便可以知道学生的情况(如：这个学生的成绩如何，有没有受过处分，出事了联系人是谁)，因此校长只要拿到了所有学生的数据便可以知道每个学生的情况，也就可以间接的对每个学生进行管理
校长不接触学生是如何拿到学生的数据呢？
在学校存在辅导员这样的中间执行人，对上和校长接触，对下和学生接触，于是辅导员便可以收集学生的数据，然后交道校长的手里，以便校长对学生进行管理

在大学中，基本上学生的人数都上万，如果辅导员不做整理的直接把上万的学生信息交到校长手里，当校长想找学校的某一名学生时，就需要在这上万的信息中逐一查阅，校长的负担就会很大，也就很难做出正确的决策，因此需要预先整理学生信息

如何整理学生信息？
对于学生这个整体，可以整理出学校需要的属性{ 姓名，年级，电话…}，对于每一个具体的学生，都记录下自己的属性值{ 张三，大二，123456…}，将整理的属性用一个结构体给描述出来(其实就是面向对象的思想，将同一个事物的属性给抽象出来)，这样数据便清晰了，但是数据之间没有关系，当我们要找某一个学生时，只能一个一个的查找，因此我们还需要对数据进行组织
如何组织数据？
将学生信息的结构体存放到数据结构(链表，二叉搜索树等)，当我们想找到某一个同学的信息，或者开除某一个同学时，只需要对这个数据结构进行增删查改，于是对数据的管理就便得很方便了

学生信息经过描述并组织之后，可以发现校长对学生的所有决策，全部被转化为了对数据结构的增删查改操作，我们把现实中的管理转化为了计算机的操作，这个过程被称为对管理的动作做建模

管理：

管理者和被管理者是不需要直接交流的
管理的方式：对被管理者对象的数据做管理
管理者是如何拿到被管理者的数据呢？通过中间的执行人
管理的本质：先描述(语言帮我们完成)，在组织(数据结构帮我们完成)
先描述：整理出我们需要的被管理者对象的属性，用结构体描述出来
在组织：将结构体组织为数据结构，以方便对数据进行增删查改

于是便可以理解，为什么学习操作系统前，需要先学语言和数据结构，因为以后写的程序或多或少都与管理有关，只有理解了先描述，在组织，才能理解管理，因此只有理解了语言和数据结构，我们才能理解操作系统

管理的本质：先描述，在组织，这句话将贯穿我们整个学习生涯，包括网络

操作系统即可以管理硬件也可以管理软件，就如同人即可以管理物品也可以管理人一样，操作系统如何对软硬件资源进行管理：先描述，在组织

操作系统对硬件先描述出属性构成，然后通过各种硬件驱动程序(一般每一种设备匹配一个驱动程序，键盘有键盘驱动，磁盘有磁盘驱动，网卡有网卡驱动)获取各种硬件的相关数据，接着在组织成某种数据结构，于是便把对硬件的管理转换成了对数据结构的增删查改

因此操作系统对硬件，内存，进程，文件的管理也是先描述，在组织

在以学校为例的管理体系中，学校中的角色类比于计算机中的角色如下所示：

管理者		校长		操作系统
中间执行人	辅导员	驱动程序
被管理者		学生		软硬件

三、计算机的软硬件体系结构

操作系统对下通过管理好软硬件资源(手段)，对上给用户提供良好(安全，稳定，高效，功能丰富)的执行环境(目的)

操作系统虽然给用户提供了良好的服务，用户相信操作系统，但操作系统是不相信用户的

以银行系统为例，行长通过管理好银行，给用户提供良好的服务，当用户去银行存钱，用户相信银行，但是银行不是说让用户去金库你们自己存，而是采取了一定的防护措施，通过一些人员来帮助你进行存钱，所以银行是不相信你的，怕用户中存在坏人

在生活中，银行是如何解决即要给用户提供良好的服务，又要保障自己的安全呢，并且用户不能随随便便的查看或修改系统的内容

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银行采用的方式是窗口服务，将用户和工作人员之间用厚厚的玻璃隔开，并设立许多小窗口，通过这些小窗口为用户提供服务，用户将需求通过窗口给服务人员，服务人员帮我们处理相应的需求，于是银行只需要管理好窗口便即可以提供服务，又可以保证自己的安全

操作系统，驱动程序，软硬件这样的结构，被称作计算机软硬件体系结构

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与银行系统一样，计算机软硬件体系结构为了给用户提供良好的环境，并且需要保障自己的安全，也是不允许用户直接访问他内部的产生的任何数据，防止用户做破坏，采用的方式也是窗口服务，给向上的用户提供一个一个的系统调用接口，用户只需要包含对应的头文件，便可以使用这些系统调用接口来完成自己的需求，这样即完成了操作系统的封装性，又可以给用户提供良好的服务

系统调用接口：这里的系统指的是 Linux 系统，而 Linux 系统是用 C语言写的，所以 系统调用接口其实就是操作系统提供的 C语言函数

如果一个软件使用了系统调用接口，则这个软件只能在该系统下跑，这个软件也就不具备跨平台，因为不同的操作系统的接口可能不一样，所以在安卓手机上可以运行的软件，在苹果手机以及电脑上都不能运行

1. 计算机软硬件层状结构

虽然操作系统提供了系统调用接口，但是使用这些接口，是需要懂一些操作系统的知识的，成本很高，于是便有人基于系统调用接口，做二次开发，提供一些更简单的接口：

shell(命令行解释器)和指令集
图形化界面
语言中提供的需要和硬件访问的库函数所需要的库文件
由操作系统的软硬件的体系结构决定，库函数不能直接和硬件打交道，只能通过调用操作系统提供的系统调用接口来实现该函数的功能

紧接着，为了让用户拥有更丰富的功能，如 QQ，微信，网易云音乐等等，便有人在图形化界面之上通过语言的库开发了许许多多的软件，这一层软件层被称之为应用软件层