冯诺依曼体系结构与操作系统

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1. 冯诺依曼体系结构

约翰・冯・诺依曼是 20 世纪最重要的数学家之一，在多个科学领域都有着深远影响。

冯・诺依曼体系结构也被称为普林斯顿结构，是一种计算机的经典设计架构。它将计算机的硬件系统划分为五大基本部件，分别是运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。

其核心特点是采用存储程序原理，也就是程序和数据以二进制的形式一同存放在存储器中，计算机按照顺序依次从存储器中取出指令并执行，指令执行过程中可以对数据进行相应的运算处理等操作。

我们所认识的计算机，都是有一个个的硬件组件组成：

• 输入单元：包括键盘，鼠标，扫描仪，写板等。
• 中央处理器(CPU)：含有运算器和控制器等。
• 输出单元：显示器，打印机等。

关于冯诺依曼，必须强调几点：

• 这里的存储器指的是内存。
• 不考虑缓存情况，这里的 CPU 只能对内存进行读写，不能访问外设（输入或输出设备）。
• 外设（输入或输出设备）要输入或者输出数据，也只能写入内存或者从内存中读取。

总结：

• CPU 不和外设直接打交道，而是和内存直接打交道。
• 所有的外设，如果有数据需要载入，那么只能载入到内存中；而如果从内存中写出，那么一定是写入到外设中。

我们知道，程序要运行必须先加载到内存，那么为什么呢？
 
因为 CPU 要执行我的代码、访问我的数据只能从内存中读，这是体系结构规定好的。
 
那么体系结构为什么这么规定呢？本质就是要提高计算效率。
 
所以通过输入设备数据只能到内存，然后计算机计算完以后，读数据从内存里读，读完之后写到内存里，然后再把数据刷新到外设里，最后对应的外设（显示器）就显示出来了。

2. 数据流的传输过程

实例 1

假设小A在成都，小B在北京，他们进行QQ聊天。小A从键盘输入向小B发了一个 “你好”，这个 “你好” 叫做数据流，那么在不考虑网络的情况下，这个数据流是如何在不同的电脑中流动的？

我们可以把小A和小B的电脑都看作是一台冯诺依曼结构的电脑，这里的输入设备对小A来讲就是键盘，小A一旦摁键盘了，他的数据其实是先输进了内存中，然后小A经过网络发送的 “你好”，先要CPU去计算，假设为了数据安全聊天消息是经过加密的，所以要执行对应的加密算法，把 “你好” 加密之后写到内存中，之后再定期的把数据刷新到输出设备，这里的输出设备，也就是网卡。

小A给小B发消息的时候，小A的显示器上也能看到给小B的消息。所以就相当于把这个数据，一式刷新两份儿，给网卡一份儿，给小A的显示器也一份儿，所以小A也就看到了。

那么，接下来网卡把数据发送经过网络，再对应到小B的计算机里，那么小B的计算机里面拿到数据的时候，一定是网卡这个设备先读到了数据。当网卡拿到数据，它一定把读到的数据拿到小B电脑的内存当中。因为数据是经过加密的，那么所以最终这个数据再经过CPU内部解密，再写到内存里，变成 “你好”，然后再刷新到小B的输出设备，也就是他的显示器上。

所以不考虑软件，它的数据流是这样走的；考虑软件，它也必须是这么走的。
 
因为软件是依托于硬件的，软件再怎么写，也必须得遵守这里的数据流程。
 
这是硬件体系结构给我们带来的认知。

实例 2

假设现在小A要通过QQ给小B发送文件呢，小A经过这种拖拉的方式，把文件拖拉到我们对应的QQ的对话框里面，然后一点击回车，小B就收到了，那是怎么做到的呢？

文件里面不就也是数据吗？和这个 “你好” 有什么区别呢？无非就数据量大了点儿。

所以呢，在没有发文件时，小A的数据在磁盘里，所以一定是把数据从磁盘里面搬到内存中。说白了，就读到QQ里。QQ在加密之后，把加密好的数据再写到内存里，然后刷新到网卡里，网卡就会传送给小B。

小B的主机拿到了之后，把数据读到内存里，再解密，然后再写到内存，刷新到小B的磁盘上。所以你会发现，其实这个时候就变成了数据从磁盘到磁盘。

但万变不离其宗，只要我们把体系结构理解通了，所有的软件的现象，我们就有一个硬件角度去解释了。

3. 操作系统的基本概念

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）
• 其他程序（例如函数库，shell 程序等等）

4. 设计操作系统的目的

• 与硬件交互，管理所有的软硬件资源。
• 为用户程序（应用程序）提供一个良好的执行环境。

所以，操作系统就是进行软硬件资源管理的软件，它对下要管理好软硬件资源，它对上要提供一个良好的、稳定的、高效的，安全的运行环境；

5. 如何理解管理

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。那么操作系统怎么做到的？也就是怎么去管理的呢？

可以举个例子：校长是管理者，而学生是被管理者，我们除了开学典礼之外，就很少见到校长，那么校长又如何进行管理的呢？

我们知道管理者是不需要和被管理者直接交互的，依旧能够把被管理对象给管理起来，管理者正的界定是要有对重大事情做决策的。并且管理者对重大事宜有决策的权力。

虽然我作为被管理者，不直接和校长打交道。但是我的所有数据（学号、姓名、年龄、地址、籍贯等等）早已经被校方拿走了，而且一直在更新，那么本质不是对人进行管理，而是对数据进行管理。

换言之，比如说我进入公司里了，公司的CEO连我面都没见过，可是我什么时候入职的？近半年有什么重大贡献？我贡献了多少行代码？贡献了多少个bug？为公司解决了多少问题？这些都叫做数据，只要把我的方方面面的数据全部拿到给公司的CEO，那么他都不需要和我见面，照样可以把我管理起来。

所以最终结论叫做：管理的本质是对数据。

我们知道，校长是做决策的，而辅导员是拿到数据并且执行决策的，学生就是被管理的。

操作系统是一个管理软件，那么被管理的角色是谁呢？这里的角色就是硬件啊。所以，操作系统是对硬件做管理的，并且它不需要和硬件直接打交道，只需要对硬件的数据做管理就可以了。

那么其中操作系统和硬件都不直接打交道，怎么拿到硬件的数据呢？所以在操作系统和硬件之间，还有一种软件层，这层软件层叫做驱动。

那么一旦底层硬件来了，它的硬件数据便在操作系统的受益之下。将数据拿到操作系统内部。当操作系统根据数据做决策的时候，也由对应的驱动程序去执行。

现在我们已经知道了：校长通过对数据做管理，来对 被管理者 进行管理，数据的采集和决策的执行由我们的辅导员来做的。

假设学校有两万人的时候，其中辅导员儿可能有十几个，学院也有几十个专业。那么有这么多的辅导员儿，对应的就是有这么多的驱动程序，操作系统内会存在大量的数据。

作为校长来讲，他用Excel表格维护了几十张这样的表，每一条对应的就是一个学生的信息。所以校长每天的工作就是从头到尾一个个去对比这些表格的数据，一年下来校长身体不坏，掉眼睛也废掉了啊，天天盯着这些数据看。

所以数据量大的时候一定会带来数据本身的管理负担，怎么样对数据做更好的管理呢？

虽然校长所要管理的学生信息多，但是种类都是一样的，还不是学号、姓名、年龄、地址等等。那么可以定义一个 struct 结构体，里面包含了这些学生的所有信息。

用结构体来那么定义各种学生对象或者变量，将学生属性填充起来，最后对于学生的管理变成了对这一个一个变量的管理。

但是光把学生们的信息描绘起来还不行，校长他又在自己维护学生的这个结构体里添加了一个 struct *next。

相当于来了一名学生，我就把学生的信息填好，构建成一个链表，然后用我们的头结点指向新加入的节点。哪怕学生越来越多，无非就是向链表当中不断的新创建节点，然后把学生的属性信息填到节点里，然后链到我的链表里。

此时，校长对学生数据做管理，就变成了对链表进行管理。

假设，我想找一下学校里学习成绩最好的人，给他去评我们学校的奖学金。那么，以前我的做法就是在 excel 表里不断去遍历，拿着所有同学的学习成绩，在这里一个个去找。

现在就不用这么费劲儿了，只需要设计一套遍历链表的算法，根据学生的这个 score 得分作为对应的一个 key 值，把所有的链表当中 score 最大的那个节点找到，那么此时这个学生信息就拿到了，所以这个学生就可以评奖学金了。

如果学校里新入学的一名学生报到，那么学生入学之后，辅导员知道了，辅导员把信息告诉校长，校长就直接调用 insert 方法，把节点插入进去，这个学生就被管理起来了。

那么有一天这个学生，做一件特别糟糕的事情，被勒令退学了，辅导员把这名学生信息交给校长，校长执行链表的 delete 操作，从对应的链表当中找到这个学生结点，把这个结点去掉，那么此时这个信息就在学校当中被清理掉了。

总之，就是把要 被管理的对象 转化成 对链表做管理。

但是必须得做两个重要的阶段：

• 第一个阶段叫做：先描述（面向对象）。
  • 所谓的先描述，说白了就是把你要管的被管理对象怎么抽象出来，变成一个我们对应的结构体。
• 第二个阶段叫做：再组织（数据结构）。
  • 所谓的再组织，就是将所有的，根据该结构定义出来的一个一个的对象。将它设计成特定的数据结构，转化成对被管理对象的管理，变成了对某种数据结构的管理。

那么所有管理的本质逻辑都是这六个字：先描述再组织。

总结：

• 管理的本质：对数据做管理。
• 管理的方法：先描述，再组织。

6. 系统调用和库函数概念

我们去银行办理业务的时候，会看到有一道厚厚的玻璃墙，然后上面开个小洞，你要办业务的时候，坐在银行的那个柜台口，然后工作人员让你通过一个小洞口把资料递进去，比如你要取钱，工作人员就会把钱从窗口给你扔出来。

为什么要这样做呢？严格意义上来讲，银行系统不相信任何人，所以银行要将自己保护起来。所以银行就在玻璃墙上开了一个小窗户，你办理什么业务，只需要通过这个窗户就可以了。此时，银行就既保护了自己，又对外提供了服务。

同样的，操作系统相不相信任何人，但是也必须给上层用户提供各种服务，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。

所以通过 系统调用接口 操作系统既把自己保护起来了，又对外能够向上提供各种服务，

这里的系统调用就是 C 语言式的接口，也就是操作系统通过 C 语言给我们提供的函数调用。以后你想访问任何硬件，必须得通过操作系统，而且一定有操作系统的接口可以访问。

就比如你现在用 C++ 写的代码全部那么写好之后，然后有需要再去调 C++ 的库来完成你的功能，你的程序跑起来，其实就是在系统调用接口之上再进行调用，然后再在操作系统内部做的。所以你的所有的行为其实最终都是通过系统调用接口来做的。

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。

如下图所示：

最底层的我们叫做硬件，冯诺依曼形式组织的驱动程序帮我们去控制各种硬件，操作系统经过先描述再组织，对硬件资源做管理，它把下面资源管理好，目的是给上面提供更好的服务。同时，它还要对上提供各种接口操作，方便上层来对硬件做操作，所以怎么提供呢？那就是经过系统调用接口层。