??專欄導(dǎo)讀

??作者簡介：花想云 ，在讀本科生一枚，C/C++領(lǐng)域新星創(chuàng)作者，新星計劃導(dǎo)師，阿里云專家博主，CSDN內(nèi)容合伙人…致力于 C/C++、Linux 學(xué)習(xí)。

??專欄簡介：本文收錄于 Linux從入門到精通，本專欄主要內(nèi)容為本專欄主要內(nèi)容為Linux的系統(tǒng)性學(xué)習(xí)，專為小白打造的文章專欄。

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??文章導(dǎo)讀

從本章開始，我們將進(jìn)入Linux進(jìn)程的學(xué)習(xí)。但是在進(jìn)程學(xué)習(xí)之前，我們必須得對計算機(jī)的底層知識以及操作系統(tǒng)做一些了解，方便我們之后更好的學(xué)習(xí)。本章我們將認(rèn)識什么是馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)與操作系統(tǒng)相關(guān)概念。

??計算機(jī)之父——馮·諾依曼

計算機(jī)的世界有兩尊大神，一位是馮·諾依曼，另一位是阿蘭·圖靈。作為計算機(jī)的受用者，我想我們有必要認(rèn)識一下這兩位前輩。

??馮·諾依曼

• 約翰·馮·諾依曼（John von Neumann）是一位著名的數(shù)學(xué)家、計算機(jī)科學(xué)家、物理學(xué)家，是20世紀(jì)最重要的數(shù)學(xué)家之一。他還是是現(xiàn)代計算機(jī)、博弈論、核武器和生化武器等領(lǐng)域內(nèi)的科學(xué)全才之一，被后人稱為“現(xiàn)代計算機(jī)之父”、“博弈論之父”。馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)便是它的經(jīng)典理論，從我們經(jīng)常所能見到的計算機(jī)到當(dāng)前最先進(jìn)的計算機(jī)都采用的是馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)。所以馮諾依曼是當(dāng)之無愧的數(shù)字計算機(jī)之父。

??阿蘭·圖靈

• 艾倫·麥席森·圖靈（Alan Mathison Turing），英國數(shù)學(xué)家、邏輯學(xué)家，被稱為計算機(jī)科學(xué)之父，人工智能之父。圖靈對于人工智能的發(fā)展有諸多貢獻(xiàn)，提出了一種用于判定機(jī)器是否具有智能的試驗方法，即著名的圖靈試驗，每年都有試驗的比賽。此外，圖靈提出的著名的圖靈機(jī)模型為現(xiàn)代計算機(jī)的邏輯工作方式奠定了基礎(chǔ)。

??馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)

我想你一定在某時某刻某地見過這樣一幅圖片：

要想理解這幅圖片的含義，首先我們的清楚幾個概念：

1. 磁盤并不等同于內(nèi)存；
2. 輸入設(shè)備于輸出設(shè)備都叫作外設(shè)；
3. 在數(shù)據(jù)層面，CPU不直接與外設(shè)溝通，而至于內(nèi)存打交道；
4. 外設(shè)也只會與內(nèi)存進(jìn)行溝通；

接下來我們談?wù)劄槭裁础?/p>

??木桶效應(yīng)

什么是木桶效應(yīng)？一桶水最多能裝多少水，并不是看竹板中最長的那個，而是取決于最短的那塊板。

同理，計算機(jī)一直追求的是極致的計算速度。我們知道CPU的計算速度是非?？斓?，但是計算機(jī)的速度并不能由CPU決定。

CPU的計算速度飛快，但是如果數(shù)據(jù)的供應(yīng)跟不上，那么CPU只能說是徒有一身本領(lǐng)卻無處施展。我們要知道，外設(shè)（以磁盤為例）的訪問速度是非常慢的，因而，盡管磁盤的容量非常大，例如幾G或幾百G的硬盤也就幾十塊錢。如果CPU直接從磁盤讀取數(shù)據(jù)，那么它們整體的速度就會很慢。

我們可能聽說過一個概念——一個程序在運行前都會先加載到內(nèi)存中，為什么呢？內(nèi)存相對于磁盤來說讀取速度非常的快，所以有了內(nèi)存的存在，我們可以將要讀與的程序預(yù)加載到內(nèi)存中，因為內(nèi)存的讀取速度非常快，所以CPU直接從內(nèi)存中拿數(shù)據(jù)就好了。

因為內(nèi)存的讀取速度很快，所以價格較為昂貴。盡管它能存儲的數(shù)據(jù)很少，但卻非常的重要。

??總結(jié)——

• 在數(shù)據(jù)層面，CPU不直接與外設(shè)溝通，而至于內(nèi)存打交道。

??操作系統(tǒng)(Operator System)

??如何理解操作系統(tǒng)

任何計算機(jī)系統(tǒng)都包含一個基本的程序集合，稱為操作系統(tǒng)(OS)。 那么什么操作系統(tǒng)是什么？又有什么用呢？

??OS是什么

首先，操作系統(tǒng)是一款軟件，是一款搞管理的軟件。管理的對象是所有的軟硬件資源。

??為什么要管理

上一小節(jié)我們談到了馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)，它反映的是硬件與硬件之間的交互方式。計算機(jī)包含各種各樣的硬件設(shè)施，它們之間進(jìn)行各種的交互。用戶使用計算機(jī)是要完成某一項任務(wù)的，于是需要對這些硬件做指揮來完成這個任務(wù)。但是，我們用戶不能直接和硬件溝通，因為語種都不同。所以，我們需要某種工具，將這些硬件管理或組織起來進(jìn)行運作從而完成某件事，這個工具就叫做操作系統(tǒng)。它做管理的目的就是為用戶提供（或用戶所寫的程序）提供一個良好的執(zhí)行環(huán)境。

??如何做管理

一句話——先描述，再組織。就像校長管理學(xué)生，先對每個學(xué)生對象都先作描述，在意某種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將學(xué)生對象的信息保存起來。例如：

生成一個包含學(xué)生相關(guān)信息的結(jié)構(gòu)體；

struct student
{
	int code; // 學(xué)號
	char* name; // 名字
	char* sge // 年齡
	//...

再將每個學(xué)生所對應(yīng)的結(jié)構(gòu)體作為一個結(jié)點進(jìn)行鏈接，生成鏈表一樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；

當(dāng)校長想要開除某個學(xué)生時，他并不會直接找到學(xué)生本人說“你現(xiàn)在被開除啦，趕緊回家去吧！”，而是刪除了該學(xué)生信息所對應(yīng)的結(jié)點，然后將通知該學(xué)生的任務(wù)下達(dá)給輔導(dǎo)員。

輔導(dǎo)員也不會問為什么，你給我任務(wù)，我就執(zhí)行。于是輔導(dǎo)員便找到學(xué)生并通知他，你被開除了。

操作系統(tǒng)扮演的角色就如同校長，它只負(fù)責(zé)作決策。而決策由誰來執(zhí)行呢？答案是硬件驅(qū)動，如同輔導(dǎo)員，所以硬件驅(qū)動的角色是一位決策執(zhí)行者。而軟硬件資源就如同學(xué)生，是被管理者。

??總結(jié)——

計算機(jī)管理硬件

• 先描述起來，用struct結(jié)構(gòu)體；
• 再組織起來，用鏈表或其他高效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) ；

從用戶到硬件的管理通常是層狀的：

??系統(tǒng)調(diào)用和庫函數(shù)概念

??系統(tǒng)調(diào)用

• 在開發(fā)角度，操作系統(tǒng)對外會表現(xiàn)為一個整體，但是會暴露自己的部分接口，供上層開發(fā)使用，這部分由操作系統(tǒng)提供的接口，叫做系統(tǒng)調(diào)用。

那么我們之前有沒有使用過系統(tǒng)調(diào)用呢？答案是肯定是有的。當(dāng)我們寫下printf("hello world")這樣的代碼，運行起來之后就會在屏幕上顯示hello world的字符。其實你以為你寫下這句代碼，計算機(jī)就會在屏幕上打印內(nèi)容是你的功勞，但其實，這是編譯器在底層做了系統(tǒng)調(diào)用，你確實沒有直接使用系統(tǒng)調(diào)用，因為這是編譯器幫你完成的。

??庫函數(shù)

• 系統(tǒng)調(diào)用在使用上，功能比較基礎(chǔ)，對用戶的要求相對也比較高，所以，有心的開發(fā)者可以對部分系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)行適度封裝，從而形成庫，有了庫，就很有利于更上層用戶或者開發(fā)者進(jìn)行二次開發(fā)。

我們對庫已經(jīng)不是第一次認(rèn)識了，C語言、C++等語言都有自己的庫。庫就是對具有某些相似功能的函數(shù)作封裝方便用戶直接調(diào)用，從而提高開發(fā)的效率。

本章的內(nèi)容就到這里了，下一章我們就將進(jìn)入進(jìn)程的學(xué)習(xí)，本章的內(nèi)容是為下一章的學(xué)習(xí)做鋪墊，當(dāng)我們對底層做了足夠的了解，才能更好的明白上層開發(fā)所做的某些事的意義。

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到了這里，關(guān)于『Linux從入門到精通』第 ? 期 -深入了解馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)與操作系統(tǒng)(Operator System)的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請在右上角搜索TOY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！