冯诺依曼体系结构
常见的计算机，如笔记本；不常见的计算机，如服务器，大部分都遵守冯诺依曼体系。冯诺依曼体系结构如下所示：
计算机的本质：输入->计算->输出。截至目前，我们所认识的计算机，都是由一个个的硬件组件组成。常见的输入设备：键盘，鼠标，扫描仪，写板，网卡，磁盘等等；常见的输出设备：显示器，网卡，磁盘等等；中央处理器也称之为CPU，含有运算器和控制器，运算器主要处理算数运算和逻辑运算。在计算器中的输入输出设备，有些仅做输出设备，有些仅做输入设备，有些既是输出设备也是输入设备，我们将这些输入输出设备称之为外设（外围设备），外设是相对于存储器和中央处理器的说法。
冯诺依曼体系中的存储器 具体指的是什么？指的就是内存，内存即内部存储。我们听过的磁盘，u盘也有一个名称，就做外存，即外部存储。
学习冯诺依曼体系结构最主要的就是理解为什么要有内存。在回答这个问题之前，先来了解存储分级问题和体系结构效率问题。
存储分级问题
在计算机中具有存储功能的设备是非常多的。
这些具有存储功能的设备，距离CPU设备越近的，存储空间更小，速度更快，成本更高；距离CPU设备越远的，存储空间更大，速度更慢，成本更低。
体系结构效率的问题
既然计算机的本质就是输入->计算->输出，为什么中间还需要一个存储器？输入设备->CPU->输出设备，这种结构不是更好吗？输入设备和输出设备都是外设，而外设相较于CPU，它的速度特别慢 。CPU的处理处理速度是纳秒级别的，外设的处理速度是毫秒级别的。根据木桶原理：一个木桶最终能存储水的量，是由构成该木桶的最短的木桶片决定的，换句话说，如果计算机的结构为输入设备->CPU->输出设备，那么计算机的效率就完全取决于计算机的输入和输出设备了，这样的计算机效率太慢了。
既然速度慢，怎么解决这个问题呢？在设备与 CPU 之间引入新的设备 ------ 存储器。冯诺依曼体系结构规定，从输入设备输入的数据不能直接交给 CPU 处理，而是交给存储器，之后 CPU 需要读取数据只能从存储器获取数据，计算完的结果数据不能直接写入输出设备中，而是写入存储器中，再从存储器刷新到输出设备中。
在数据层面，CPU不与外设（输入设备和输出设备）直接交互，只会与内存交互。
但是引入新的设备之后，效率还是那样啊？依据木桶原理计算机的效率取决于外设呀？也就是说这套结构并没有使计算机的效率提升呀？逻辑确实如此，但是现在谈论的是纯硬件，在硬件之上还有操作系统。虽然从硬件上是这样的，但是可以提前将输入的数据载入到存储器，该操作被称为预加载 ，数据载入存储器之后，CPU读取数据只需从内存中去读，之后该系统在某个调度软件的调度之下，做预加载，就可以让整个系统的整体效率以内存为主。
数据可以提前加载，大部分情况下，处理数据时，就可以转换成CPU与内存的交互，计算机的效率就以内存为主了。再了解一个原理：局部性原理 ------ 当访问某位置的数据时，下一次访问有极大的概率访问之前访问的位置的周围位置的数据。正是因为有局部性原理，所以才可以将数据提前加载。
若想要造一台计算机，存储器全部使用寄存器，不是说距离CPU越近的存储设备，速度更快吗？存储器全部用寄存器，那速度还不飞起来？从技术上来看，这样做确实可以，但是从实际来看，这样会使计算机的造价成本大幅度提升，售价也会更贵，普通人无法消费；既然造价太高，那就减低造价，存储器全部使用磁盘，但是这样计算机就会很慢，效率很低，没有给使用者带来效率上的提升，对使用计算机的人来说没有作用。
若一个计算器的效率以内存为主，那么它的本质就是让普通人以较低的价格获取到效率一般的计算机，冯诺依曼体系结构为电脑提供性价比，使得电脑被人们广泛的接受，如此才能形成全球范围的网民数量，才可能孵化出互联网，这就是冯诺依曼体系的跨时代意义。
所以为什么要有内存？内存使电脑提速，且价格并未提高，使得电脑被人们广泛的接受，增加全球范围的网民数量，最终孵化出互联网。
在学习 C 语言时，曾听到过这么一句话：在编译C语言代码时，最终形成二进制可执行程序，可执行程序存储在磁盘上，而一个程序要运行就必须先加载到内存中。为什么程序运行之前要加载到内存中？
一个程序内部包含两个部分：一部分是逻辑，一部分是数据 ，但是最终的可执行程序全都以"数据"的形式体现出来，所以可执行程序就是数据。既然程序就是数据，根据冯诺依曼体系结构，输入数据之前需要预加载到内存中，即程序运行前需要预加载到内存中。所以为什么程序运行前要加载到内存中，因为这是计算机体系结构规定的。
输入和输出是站在谁的角度去考虑的？站在键盘（输入设备）的角度，将数据交给存储器，就是输出；站在显示器（输出设备）的角度，存储器的数据交给输出设备，就是输入，那么输入输出到底是以谁的角度去考虑的？我们口中的输入输出是以存储器 角度考虑的，而程序要运行需要先加载到内存里，也可以换种说法，以加载到内存中的程序的角度考虑的。
从外设读取数据到内存的过程称为 input，将内存的数据输出到外设的过程称为 output，称之为 IO。这也是为什么我们编写 C 语言/C++代码时，第一件事包含头文件写的都是 stdio.h 和 iostream，目的都是引入 IO 功能，这样就能使用 printf 和 scanf，cout 和 cin 函数了。
在了解存储分级时，提到距离CPU越近的设备，效率越高；距离CPU越远的设备，效率越低。从外设读取数据到内存的过程是 input，将内存的数据输出到外设的过程是 output，运算器与存储器之间的数据交互，这些都是计算机数据的流动。而计算机数据流动的过程本质就是拷贝 ，也就是说计算机的效率问题，由设备的拷贝效率决定 ，存储设备中所提到的效率是拷贝效率。
现在我在CSDN写了一篇博客，你可以看见我的博客。那么我写的博客在硬件层面上的流动过程是怎样的？假设浏览博客的设备使用的是电脑，那么博客就是在两个冯诺依曼结构之间流动的。
传送其它的文件也是相同原理。
在初学Linux的指令时，将 windows 系统上的文件直接拖拽到 Xshell 中，Xshell 中就出现了和 windows 一模一样的文件，windows 系统和 Linux 系统都是冯诺依曼体系结构，这一过程与上述分析的一模一样！需要注意的是：数据怎样流动与是什么软件无关。
操作系统
仅有计算机硬件而没有操作系统，就无法操作这些硬件。直接让使用者来操作硬件效率是很低的。无论是手机还是电脑，若没有安装操作系统，就如同板砖一般。任何一个计算机系统都包含一个基本的程序集合，称为操作系统（OS）。
操作系统有两层认知：广义上的操作系统和狭义上的操作系统。操作系统最核心的部分称之为内核，还需要给内核配上外壳程序，linux 系统配的就是 shell，windows 配的就是图形化界面，光有外壳程序还不够，还需要预装一些软件。
狭义上的操作系统：操作系统内核
广义上的操作系统：操作系统内核+操作系统外壳程序+操作系统配套的生态类的软件
之后提到的操作系统说的都是狭义上的操作系统，也就是操作系统内核
操作系统内核一般有四大功能：**驱动管理（与外设有关），内存管理（与内存有关），文件系统（与磁盘有关），进程管理，**任何一个计算机类的设备都需要这四大功能。
了解操作系统的基本知识后，可能会有一个疑问？为什么要有操作系统？用户没办法与硬件交互，所以就需要有一个东西能够将当前计算机中的各种设备管理好，所以就有了操作系统。
每一种硬件配一个驱动程序，没有驱动程序硬件是使用不了的，驱动程序是由硬件厂商提供的。
操作系统的核心功能就是将软硬件资源管理好，将软硬件资源管理好不是操作系统的意义，而是操作系统的手段，操作系统不是为了管理而管理。为什么发明操作系统 ？就是为了让人使用电脑更方便。通过操作系统将软硬件资源管理好，以此来给人提供一个良好的使用环境。（良好指：稳定的，高效的，安全的）。因此可以给操作系统下定义：操作系统是一款进行软硬件资源管理的软件。
了解到这自然而然会很好奇操作系统是怎么管理软硬件资源的？在回答这个问题前得先理解 OS 管理的本质。
例子：
在学校里，学生很多，而作为校方是需要将所有学生管理好的，教学安排，课程安排，班级安排，寝室安排等等。学校中管理层的角色很多，这里抽象化理解管理层只有校长。学校的管理层就抽象为：作为管理者的校长，作为被管理者的我（学生）。我在生活上，学习上出现了什么问题，校长是不会亲自处理这些问题，是另一名角色------导员，来处理学生的问题的。
我们做事情，无非两件事：做决策，做执行。今天我打算写一篇博客，这是做决策；我开始写，这是做执行。我要不要向这家公司投递简历，这是做决策；投递简历，这是做执行。管理者最核心的工作就是做决策，被管理者最核心的工作就是做执行。
在学校我们是很少与校长见面的，这也说明了管理者与被管理者两者不需要见面，管理者就能管理被管理者 ！既然面都不见，管理者又是如何管理被管理者的呢？校长是如何知道我要毕业了，校长是如何知道我的毕业去向的？管理者获取到被管理者的数据就可以管理被管理者了 。管理被管理者，本质是对被管理者身上的相关数据做管理。然而管理者与被管理者没有见面，管理者又是如何获取到被管理者身上的数据的？通过导员，也就是驱动程序。校长决定评选奖学金，在学生信息中选出绩点和综测分高的学生，这说明了数据是提供决策依据的。
作为一名大学校长，学生众多，如何将被被管理者的信息管理起来？学生的基本信息有很多，姓名，学号，学院，专业，年级，班级等等，学生的基本信息也是学生的属性，能否将学生的信息让计算机去管理？定义一个结构体，结构体的成员变量就是被管理者的属性（姓名，学号，学院，专业，年级，班级，性别，民族，政治面貌等等），但是一个个学生的信息是孤立的，能否将 struct链接起来，在结构体中新增变量 ------ struct 指针，将所有学生的数据抽象成链表结构，使用数据结构将所有被管理者的数据统一管理，修改学生的信息抽象成获取指定结点的地址修改结点的属性，对学生信息的增删查改转化成对链表结构增删查改。
所以作为大学的校长管理学生的信息，先将所有学生的信息使用结构体描述起来，再将所有学生的信息作为结点一个个组织起来。先描述一个事物，再以各种数据结构组织起来，就可以管理了 。将校长换成操作系统，将学生换成软硬件资源，操作系统如何管理软硬件资源？回答：先使用结构体描述，再使用各种数据结构组织 。操作系统是一款软件，绝大部分操作系统是用 C 语言写的，如果操作系统要管理软硬件，首先定义一个 struct 结构体，成员变量为软硬件资源信息，再使用数据结构链表将这些结点组织起来。因此我们可以推断：OS内部核心的东西是数据结构！！
为什么 C++ 语言中要有类和 STL？为什么 C++ 语言是面向对象的语言？因为我们使用 C 语言/C++解决问题，就是对各种信息做管理，而 C++ 中的类对应的就是先描述，STL对应的就是再组织，这也是为什么我们在学习 C++ 时，都是先实现类，再根据具体问题使用特定的 STL 容器。Java 和 python 等面向对象语言也有类似于 C++ 中类和 STL 的结构，这说明了先描述，再组织是语言的特点。先描述，再组织是现实问题进行计算机建模的核心规律。
软硬件体系结构
整个计算机的软硬件是一个层状结构，底层硬件整体是以冯诺依曼体系结构组成的。
操作系统可以对各种资源进行管理，但是操作系统不能只是将这些资源管理好就可以了，还需要提供给操作者稳定的，安全的，高效的使用环境。操作系统内一定存在大量的数据结构来管理各种属性信息，如果操作系统允许用户直接访问它的各种代码数据，这个过程是特别不安全的，也就是说操作系统是不允许用户直接访问它所管理的操作系统的，既然如此操作系统又是如何为用户提供良好的使用环境的呢？
例子：下图是一个简化的银行结构：
现在有一名顾客要到银行存钱，让顾客直接去金库和银行电脑进行存钱操作，这样做可以吗？当然不可以。银行需要保证自己的安全，因为顾客中可能有坏人，为了保证自己的安全，银行整个系统会将所有的顾客都当成坏人！这下就出现问题了，银行既需要为顾客提供服务，又将所有顾客认为是坏人，此时银行需要考虑如何在保证自身安全的前提下，为顾客提供服务。银行可以在自己的系统内开放窗口，顾客到银行存取钱，不能直接进入银行后部，通过银行开放的窗口，与工作人员进行沟通，让工作人员帮助顾客存取钱。
操作系统也是如此，操作系统可以提供一层软件层，也就是系统调用，系统调用 相当于操作系统为用户开放的"窗口"，这些"窗口"本质上是一个个系统提供的函数接口 。我们之前的学习中见过系统调用吗？当然见过。操作系统的调用是操作系统提供的，所以调用起来会有成本，必须了解操作系统才能调用操作系统的函数！我们编写 C/C++ 代码引用的库就是系统调用，我们调用的很多 C/C++ 函数都是对系统调用的封装。
比如调用的 printf 函数，printf 函数的本质是向显示器硬件写入数据，我们使用 C 语言向显示器硬件写入 "hello linux" 时，是使用 C 语言直接向硬件写入的吗？操作系统是软硬件资源的管理者，所以访问硬件必须要经过操作系统。所以使用 printf 函数向显示器硬件中写入的本质，就是 printf 函数系统调用，通过操作系统贯穿显示器驱动，再向显示器内部写入数据。所以凡是涉及访问硬件的操作，都需要经过操作系统，调用系统调用！
用户使用操作系统的行为：使用操作系统；在操作系统上做开发操作；在操作系统上做管理操作。为了满足用户的使用操作系统的不同场景，操作系统会提供对应的功能。如果要做开发操作，操作系统提供一个库；如果要使用操作系统，操作系统提供一个图像化界面/外壳程序；如果要管理操作系统，如安装/卸载软件，操作系统提供安装/卸载等指令。
系统调用是否是外壳？不是。外壳程序是C语言开发出来的，使用的是 C 语言标准库/系统调用设计的一款软件，它的本质就是命令。指令是否是系统调用？不是，指令的本质是文件，是使用C语言编写的可执行程序，指令的底层使用的也是系统调用。无论是外壳程序，库，还是指令，它们都是直接或间接的调用系统调用来完成自己的工作的，但是它们三个是不一样的。