[linux] 冯诺依曼体系及操作系统的概念

Posted 2023-02-04

@​​TOC​

1. 冯诺依曼体系结构

常见的计算机，如：笔记本，不常见的服务器，如服务器，大部分都遵循冯诺依曼体系

1. 为什么要有内存？

输入、输出设备称之为外围设备，简称外设，外设速度一般比较慢一些

• 以磁盘为例，我们去淘宝花500块 去买磁盘，可以买到1T的
  但若是买储存器即内存，只能买到4G/8G的内存条，从价格上看内存是比较贵的，主要是因为相对于内存，磁盘是比较慢的

1. 若内存不存在

这样做虽然可以，但是因为外设的速度非常慢，而CPU的速度非常快，就导致类似于木桶问题的现象存在

• 这个木桶最多承装多少水，不是由这个木桶最长的木板决定的，而是由最短的木板决定的，整体效率就以外设为主</font>，外设的速度非常慢，就导致整体效率非常慢

2. 若内存存在

• 内存的速度比外设快的多，又比内存速度慢 若内存存在，进行计算时，若只包CPU与内存，则
  整体效率以内存为主，内存可以实现对数据的预加载(提前将数据放入内存中)，
  CPU进行计算时直接在内存中取数据，不需要访问外设了

结论1

在数据层面上，一般CPU不和外设直接沟通，而是和内存打交道

2.在硬件层面，单机和跨单机之间数据流是如何流向的？

你和你的朋友，聊qq，你发送一个在吗？整个信息是如何在体系结构中流动的?(在不考虑网络的情况下，即发出去就能收到)

• 你从键盘打出"在吗"输入qq里，数据"在吗"到内存，然后数据要做计算，因为数据在发送时不止一条，同时数据需要加密，
  把计算完的结果写回内存，将该数据显示到输出设备，将数据显示到本地的显示框中， 同时把数据发送到网卡上，对应的输入设备就是网卡<font
  同样把数据"在吗"交给内存，把数据读到CPU中，执行解密操作，把数据写回内存，再将数据刷新到输出设备中，即将"在吗”显示到你朋友的显示器中
  

结论2

外设只会和内存打交道(数据层面)

2. 操作系统(Operator System)

1. 概念

操作系统是一个进行软硬件资源管理的软件

2.如何理解操作系统对硬件管理？

• 例如把学校中的人分为 校长、辅导员、学生 而管理者是谁呢？
  初次看，我认为管理者是辅导员，因为平时都是辅导员在管理我们
• 而管理者的定义是：大部分情况下拥有做决策的能力

• 所以真正意义的管理者是校长，所有的命令都是由校长发出的， 而辅导员只是按照校长的指令办事，最后辅导员带着学生完成任务

结论1

• 
  校长可能只在开学典礼见过，或者平时偶尔见到一次，只是你认识他，他不认识你，但还可以安排我去那间宿舍，安排什么时候上课、什么时候吃饭

• 管理者和被管理者，不需要直接沟通

3.管理者和被管理者没有直接沟通，他是如何管理我的呢？

• 在上初中的时候，你经常跟你的同学抱怨，我的爸爸妈妈天天跟在屁股后面，天天管着我
  等上了大学后，你认为你终于脱离了父母的管控了，此时你的父母确实不在你的身边，但若你的父母有一种能力，
  按照天为单位，获取到你这一天都干了什么，通过这些数据掌握了你的行踪，第二天就给你打电话了，一顿说你。
  说明你的父母不在你的身边，但若拿到数据照样可以管理你管理的本质： 对被管理对象的数据做管理

3.管理者是如何拿到被管理者的数据的呢？

• 校长是如何拿到我的数据的呢？校长不用跟我直接接触，但辅导员通过他旗下的爪牙跟我直接接触
  辅导员 拿到了我的各科考试成绩，姓名籍贯等数据交给了校长

4.对管理做建模

• 假设校长是一个程序员，要每一个学生的数据， 由于基本属性都是一样的，都包括(姓名、性别、考试成绩)，由于linux内核使用c语言写的，所以设定一个结构体 s 包含这些基本信息

struct s

   //姓名
    //性别
    //考试成绩
;

• 由于学生数量太大，有上万名，所以使用execl表格太麻烦了 所以我用单链表把各个学生的信息连接起来<​ ​
• 我想寻找学校中数学成绩最高的同学，代表学校参加竞赛 作为校长，要决策谁去参加
  可以使用链表进行遍历，以数学成绩为判断条件，找到数学成绩最高的同学，通过结点找到姓名等信息校长的行为转化为对链表的遍历动作上述的整个过程完成了对管理进行建模(将具体的场景转化为计算机语言）
  color=Blue><font color=red>描述：</font>如果要对特定的学生做管理，需要先将每一名同学结构体描述起来，采集信息，用结构体构建对象形成某种结构，
  组织： 再将每一名学生对应的结点组织起来
• 管理的本质：先描述，在组织

5. 相互关系

• 驱动去和硬件交互，从交互的层面上拿到相关的数据，操作系统拿到数据做决策，将决策交给驱动做执行

6.操作系统为什么要对软硬件资源做管理？

• 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)以银行系统为例，行长能通过IT部门对银行的电脑、服务器进行管理，也能对银行内的人员进行管理
• 说明操作系统既能对硬件做管理，也能对软件做管理
  行长对下要管理好员工和软硬件资源，对上给用户提供良好的执行环境

银行会相信我们么？

• 不相信，因为我们存钱不可能让你自己进入金库为了保护自身安全,设置银行柜台的存在,给我们提供窗口服务操作系统给我们提供良好的服务，并不代表OS会相信我们，反而，操作系统不相信任何人

系统调用

• 类似于银行柜台的存在，操作系统的特定功能以接口的方式给我们提供出来，接口被称作操作系统的系统调用
• linux系统本身是用c语言写的 ，<系统指的是操作系统，调用指的是操作系统设计的c函数