目录
- 一、冯诺依曼体系结构
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- [1.1 为什么要有内存？](#1.1 为什么要有内存？)
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- [1.1.1 存储分级的问题](#1.1.1 存储分级的问题)
- [1.1.2 体系结构效率问题](#1.1.2 体系结构效率问题)
- 程序要运行，为什么要先加载到内存？
- [1.2 不同设备之间数据流动的过程](#1.2 不同设备之间数据流动的过程)
- 二、操作系统
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- [2.1 操作系统的概念](#2.1 操作系统的概念)
- [2.2 为什么要有操作系统？](#2.2 为什么要有操作系统？)
- [2.3 理解操作系统管理的本质](#2.3 理解操作系统管理的本质)
- [2.4 系统调用和库函数概念](#2.4 系统调用和库函数概念)
个人主页：矢望
一、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。
其中上图中：
中央处理器(CPU)：含有运算器和控制器等
输入设备：键盘，鼠标，扫描仪，写板，摄像头等。
输出设备：显示器，打印机等。
我们把这些输入设备、输出设备成为外围设备，简称外设。
那这里的存储器是什么？ 很多地方地方喜欢把它叫做存储器，这里指的就是内存 。内存通常以"内存条"的形式出现，插在主板的内存插槽上。而我们的硬盘，U盘等就属于外存。
1.1 为什么要有内存？
1.1.1 存储分级的问题
从上到下，存储设备的特点可以概括为 ：速度越来越慢，容量越来越大，每字节的成本越来越低，CPU的访问距离越来越远。
上面的主存也就是我们所说的内存，像我们的输入设备磁盘，相比于内存，它的容量更大，但速度慢，同样的它的价格更便宜，而我们的内存，它离CPU更近，速度快，但它的容量会小一点。
1.1.2 体系结构效率问题
计算机的本质就是输入->计算->输出，那为什么需要内存呢？直接输入->CPU->输出不就好了吗？
上面提到了我们的输入设备和输出设备统称为外设，而外设和CPU相比，它的速度特别慢 。CPU是纳秒级别的，而我们的输入输出设备通常是毫秒级别的，它们之间差了整整106，一百万倍!
如果直接输入->CPU->输出，它们之间的速度差异就决定了CPU大部分时间都在等，根据木桶原理，输入输出设备就是那块短板，那么如果这样设计，我们计算机的效率就取决于输入输出设备的效率，这样的计算机太慢了。
为了解决这样的问题，计算机科学家在设备和CPU之间引入了存储器，也就是内存。
在这个体系结构下，CPU不直接和外设打交道，它只和内存打交道。
那不和之前一样吗？那块短板还是输入设备和输出设备，那计算机的速度还是取决于输入设备和输出设备呀，从硬件角度看，的确是这样。但是还有操作系统这个软件，这个软件会把数据预处理加载到内存中，也就是说数据可以提前加载，大部分情况下处理数据的时候，就可以转化成CPU和内存的交互，这样计算机的效率就取决于内存了。内存可比输入输出设备快多了。
从现实角度出发，假设你是一个土豪，你不差钱，你要求技术人员把内存换成寄存器，并且要求寄存器内存和内存相当，能行吗？当然可以，这样的计算机效率也相当高，但是它的造价会相当高昂，无法被普通人所接受。所以使用内存能够让普通人以较低的价格，获得效率不错的计算机，可以说冯诺依曼体系结构为电脑提供了性价比，这就使计算机被人们广泛接受，这样才有可能形成全球范围内的网民数量，才可能孵化出互联网！
技术的提升推动了生产力的发展！技术作为底层驱动力，重塑了整个社会结构和发展模式！
程序要运行，为什么要先加载到内存？
程序存储在磁盘上，程序就是数据，而根据冯诺依曼体系结构，CPU不直接和外设打交道，它只和内存打交道，所以程序要运行，必须先加载到内存里，这是体系结构规定。
扩充 ：数据从磁盘加载到内存、CPU从内存中读取、输出数据它们的本质都是拷贝！也就是说计算机数据流动的过程本质就是拷贝，计算机的效率问题由设备的拷贝效率决定。
1.2 不同设备之间数据流动的过程
你有一个好友，你们两个相隔超过几百公里，今天你在聊天软件上发送了一句"上号？"，那么这个数据是如何流动的呢？
首先你输入的信息会加载到内存中，然后CPU从内存中读取你输入的数据，在进行一些加密操作，再加载进内存中，之后，内存中的数据会通过你的网卡/显示器通过网络发送到你朋友的网卡设备上，他的设备会将收到的信息加载到内存中，之后经过CPU的读取解密工作，再次回到内存，然后内存中的数据就会在你的显示器上呈现。
二、操作系统
2.1 操作系统的概念
操作系统OS是一个系统软件，它作为计算机硬件与用户/应用程序之间的中介，负责管理所有的硬件资源（CPU、内存、硬盘、外设等），并为上层提供简单的、统一的、安全的服务接口。
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），任何计算机类的设备都需要这四大功能。其他程序（例如函数库，shell程序等等）。
扩展 ：为什么说安卓是基于Linux内核的？因为安卓最核心的部分用的是Linux内核。然后在外壳层面上设计出一套显示库，让用户更好的操作，这就叫安卓。安卓的本质是Linux内核上的一层外壳程序。
之前有的手机厂商会说，我们的操作系统是基于安卓深度定制化的，其实就是把安卓的图形化界面改了改，也就是改了改皮肤。
2.2 为什么要有操作系统？
对下 ：操作系统要把软硬件资源管理好。对上 ：提供服务，保障稳定。它存在的意义是把软硬件资源管理好，从而给用户提供良好的使用环境。
2.3 理解操作系统管理的本质
在校园这个大环境下，校长是管理者，学生是被管理者。中间还有一个辅导员。
人执行的工作有两种，一种是做决策，一种是做执行，很明显，校长是做决策的，学生是做执行的。学生一学期基本上没和校长见过面，但他依旧被管理了，所以管理者管理被管理者，不需要和被管理者见面。
那他是如何管理学生的呢？他只需要获取学生身上的数据就可以进行管理了，所以管理学生本质是对学生身上的数据做管理。
那校长是如何拿到学生数据的呢？ 通过中间层的辅导员 ，比如辅导员在开学时组织签到，学生每次考试的上报等。假设校长现在要让好学生去参加一个比赛，他会选择各项数据指标都不错的学生去。所以数据是提供决策依据的。
现在校长看着几千人的excel表格，他感到很无力，碰巧他会C语言，于是他就用编程把学生信息管理起来了。
c
struct StudentNode
{
char name[50]; // 学生姓名
int score; // 学生成绩
char student_id[20]; // 学号
char class_name[30]; // 班级名称
struct StudentNode* next; // 指向下一个节点的指针
};将学生的信息组织形成一个链表，这样他就把他现实中要做的内容，建模变成了对这个链表的增删查改。这样就通过先描述，再组织 的方式把学生管理起来了。 OS将这些描述性的结构体通过链表、树等数据结构有效地"组织"起来，OS对系统的管理，就变成了对这批数据结构的增、删、改、查。
在上述例子中校长就是操作系统，学生就是底层硬件，辅导员就是驱动程序。
操作系统大部分都是C语言写的，所以操作系统内部，最核心的东西就是数据结构。
扩充：C++中为什么要有类 和STL？我们在所有的语言中都能够找到类和STL的影子，类就是先描述，STL就是再组织，要管理各种事物就需要用类描述起来，再用各种结构组织起来就可以管理这个类所对应的对象。类是对现实事物的抽象描述，解决了这是什么的问题；STL是对多个对象的组织结构，解决了如何管理的问题。这是把现实问题进行计算机建模的核心规律！
2.4 系统调用和库函数概念
如上图所示操作系统管理着软硬件资源，如果直接让用户访问操作系统内核进行软硬件资源的访问，这是不安全的。所以上层进行了系统调用接口的封装，它的本质是函数。
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。
然而系统调用在使用上，功能偏底层，对用户的使用要求较高，所以开发者对系统调用进行了适度的封装，这就形成了库。有了库，就利于上层用户或开发者进行二次开发。很多C语言或者C++函数都是对系统调用的封装。
用户操作接口：这是用户和开发者真正直接接触的部分，包括：
Shell外壳：命令行界面，其背后执行的命令（如 ls, cp）最终都会调用系统调用。- 库
lib：这是对系统调用的封装。 - 部分指令：一些系统管理工具。
总结：
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