【Linux】计算机的软硬件体系结构

一、冯诺依曼体系结构

目前我们常见的计算机，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，它的特点是将数据和指令存储在同一块内存中，并使用程序计数器（Program Counter，PC）来控制计算机执行指令的顺序。其具体结构如下：

冯诺依曼体现结构主要由运算器，控制器，存储器，输入设备和输出设备五个部分组成。

其中运算器，控制器和一些寄存器统称为中央处理器(CPU),主要负责执行指令和处理数据。

存储器一般指的是内存，内存掉电易失，只能用做于临时存储程序和数据

输入输出设备用于与外部设备进行数据交互，被统称为外设，其中磁盘，网卡属于输入输出设备，键盘属于输入设备，显示器属于输出设备，其中磁盘是不带电存储的，可以用于永久存储

我们知道，CPU是一台计算机的核心，因为它具有很快很强的运算能力(算术运算和逻辑运算)，但是实际上我们可以说CPU是很笨的，这是因为它只能被动的接收别人传递的数据和指令，然后将运算得到的结果进行返回，所以这里就有两个问题：

1.CPU是如何能够识别我们传递给他的数据和指令的?

CPU能够识别我们传递给它的数据和指令，是因为计算机是按照一定的规则和格式来存储和处理数据和指令的。这些规则和格式被统称为计算机体系结构，其中包括了数据和指令的编码方式和存储方式等。

具体来说，当我们向计算机中输入数据和指令时，它们会被转换成二进制代码，并按照一定的格式存储在内存中。CPU通过控制总线和存储器的读写，从内存中读取数据和指令，并按照指令的编码格式进行解析和执行。

CPU中的控制单元（Control Unit）负责解析指令，确定指令的类型和操作对象，然后将操作对象从内存中读取到寄存器中，并执行指令所要求的操作。CPU中的算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）负责执行算术和逻辑运算，将结果存储到寄存器或内存中。

总之，CPU能够识别我们传递给它的数据和指令，是因为计算机按照一定的规则和格式存储和处理数据和指令，并且CPU中的控制单元和算术逻辑单元能够解析和执行这些指令.CPU内部有一套直接的指令集，它会把指令对应到指令集，然后完成对应的操作

2.CPU需要的指令从哪里获取？

CPU需要的指令通常从内存中获取。在计算机中，指令和数据都是以二进制形式存储在内存中的，而计算机的CPU是通过总线和内存进行通信的。

当CPU需要执行指令时，它会从内存中读取指令，并将其存储到CPU的指令寄存器中。指令寄存器中存储的指令会被解码成CPU可以理解的指令格式，并且执行相应的操作。在执行完当前指令后，CPU会将程序计数器（PC）的值加上指令的长度，以便读取下一条指令。

需要注意的是，CPU需要的指令并不是一次性从内存中读取的，而是根据需要进行读取的。此外，为了提高CPU执行指令的效率，现代计算机中通常会采用高速缓存（Cache）来存储最近使用过的指令和数据，以便快速读取和执行。

总之，CPU需要的指令通常从内存中获取，并且现代计算机通常会采用高速缓存来提高指令读取和执行的效率，CPU只会向内存中读取和写入数据，内存再向磁盘读取和写入数据，其中，内存向磁盘读取和写入数据的过程就是IO的过程

【总结】

在数据层面上，CPU不会直接和外设打交道，只会和内存打交道，同样，所有的外设，有数据需要载入，只能载入到内存中，内存要写出，数据也只能写入到外设中

CPU不和外设直接沟通，只和内存直接打交道

所以此时我们就能理解为什么程序运行必须加载到内存了，这是因为CPU要执行我的代码访问我的数据，只能从内存中读取，因为CPU只和内存打交道，而我们的程序是存储在磁盘上

下面我们以一个例子，来对冯诺依曼体系结构(软件数据流的层面)进行更一步的理解：我们平时在QQ聊天的时候，在聊天窗口向别人发送信息，别人又在聊天窗口接收信息，在这个过程中，数据是怎样流动的呢》如果我们发送的是文件呢？

发送信息->接收信息 的数据流动：A的键盘 输入到A 的内存，然后A的CPU从A的内存中读取数据，然后进行加密，然后传输到A的网卡，再到B的网卡，然后传输到B的内存中，B的CPU从内存读取数据，进行解密，然后再读入内存，再输出到显示器上

发送文件->接收文件 的数据流动：A的磁盘输入到A的内存，A的CPU从A的内存中读取数据，然后进行加密，之后传到A的网卡，B的网卡，然后输入到B的内存中，B的CPU从内存读取数据进行解密，然后读入内存，再写入B的磁盘中

二、操作系统(Operator System)

1.操作系统的概念

操作系统是一个进行管理软硬件资源的软件，它通过对下管理好各种软硬件资源(手段),对上为用户提供良好的(稳定的高效的安全的)的运行环境(目的)

操作系统有四大软件管理模块：进程管理，文件系统，内存管理，驱动管理

2.为什么要有操作系统

操作系统是计算机系统中最基本的软件之一，它是计算机硬件和应用程序之间的桥梁，为计算机用户提供了一种友好、高效、安全的使用环境。

以下是操作系统的几个主要作用：

1**.资源管理**：操作系统负责管理计算机的各种资源，包括CPU、内存、磁盘、网络等。它通过进程管理、内存管理、文件系统等机制，为各个应用程序提供资源的分配和管理

2.用户接口：操作系统为用户提供了一种友好、直观的用户接口，使得用户可以方便地使用计算机。操作系统提供了各种应用程序和工具，例如文本编辑器、图形界面等，使得用户可以更加高效地完成工作。

3.安全保护：操作系统通过访问控制、加密等机制，保护计算机系统的安全。它可以限制用户对系统资源的访问权限，防止恶意软件的攻击和数据泄露等问题。

4.系统维护：操作系统可以监控计算机系统的运行状况，检测和修复系统错误，提高系统的稳定性和可靠性。它还可以进行系统更新、升级等操作，使得计算机系统始终保持最新的状态。

综上所述，操作系统是计算机系统中不可或缺的一部分，它为用户提供了友好、高效、安全的使用环境，为计算机系统的稳定性和可靠性提供了保障。

3.操作系统如何进行管理

操作系统通过多种机制进行管理，包括进程管理、内存管理、文件系统、设备管理等。

1.进程管理：操作系统通过进程管理机制，为每个应用程序分配独立的内存空间和CPU时间。它可以监控和调度进程的运行状态，防止应用程序之间的干扰和冲突，提高计算机系统的稳定性和响应速度。

2.内存管理：操作系统通过内存管理机制，为每个应用程序分配独立的内存空间，并且可以动态地调整内存的使用情况。它可以监控内存的使用情况，防止内存泄漏和内存溢出等问题，提高计算机系统的稳定性和性能。

3.文件系统：操作系统通过文件系统机制，为用户提供了一种方便、安全的文件存储和访问方式。它可以管理文件的创建、读取、写入和删除等操作，防止文件的损坏和丢失，保护用户数据的安全性。

4.设备管理：操作系统通过设备管理机制，管理计算机系统中的各种设备，包括输入输出设备、网络设备、存储设备等。它可以协调设备之间的通信和数据传输，防止设备冲突和数据丢失等问题，提高计算机系统的稳定性和可靠性。

总之，操作系统通过多种机制进行管理，为计算机系统提供了一种高效、安全、稳定的使用环境。它可以监控和调度各种资源的使用情况，防止资源的浪费和冲突，提高计算机系统的性能和可靠性

此外，我们还需要从一下三个方面方面进行理解：

1.管理者不需要与被管理者直接交互，依旧可以能够很好的将被管理者管理起来

我们以我们大学的学校管理为例，我们的校长并没有直接和我们打交道，即进行交互，即使交互也是问我们对学校满不满意，但是他仍然能够将我们很好的管理起来，我们可能会说，我们并不由校长来管理的，而是由我们的辅导员来管理的，但是实际上，辅导员并不能完全算一个管理者

这是因为拥有对重大事宜有决策权的人才是管理者，虽然在我们的日常生活中，与我们进行交互最多的就是我们的辅导员，那么辅导员对我们的某些事物没有决策权，比如我们是否能评奖评优，是否被开除学籍等等

2.管理的本质是对数据进行管理

那么我们的管理者是如何对我们进行管理的呢？比如我们的校长是如何对我们进行管理的呢？

答案是对我们的数据进行管理，校长通过辅导员获取我们的各种数据，比如成绩情况，有没有挂过科等等，然后做出决策，最后辅导员再对我们执行这些决策，所以管理者通过执行者提供的数据对被管理者进行管理，执行者通过与被管理者进行交互得到被管理者的各种数据，管理者通过这些数据对被管理者做出决策，然后执行者再执行这些决策

对于我们的计算机来说，在操作系统和硬件之间有一层驱动硬件的驱动层序，各种硬件对应的驱动就是我们所说的执行者，驱动程序执行操作系统的指令去完成相关任务，比如网卡有网卡驱动，磁盘有磁盘驱动，操作系统从这些驱动中获取硬件的数据，根据硬件的数据对硬件进行管理

3.管理的方法：先描述，再组织

如果我们学习没有几个学那么校长可以用一个excel表格对我们学生的数据进行管理，但是实际上，往往一个学校的学生都是很多的，如果还是使用这种 方式的话，就会十分麻烦，管理的成本就会很高，所以，我们可以把学生需要存储的数据抽取出来，然后将这些数据描述成一个结构体或者一个类，然后将每个学生的信息用来实例化成一个对象，然后我们可以使用某一种数据结构(比如链表，顺序表)来将这些对象组织起来，我们需要查询学生信息时按照对应的key值遍历即可，删除学生直接删除学生的数据即可。这样，我们对学生的管理就变成了对某一数据结构的管理(增删查改),这样就明显提高我们管理的效率

操作系统不仅能够管理硬件，还可以管理软件，并且对软件的管理方式和对硬件的管理方式是一样的，对软件的管理，变成对软件数据的管理，然后将数据描述成一个结构体或者一个类，然后用一个数据结构来存储，然后就变成了对数据结构的管理

三、系统调用和用户操作接口

系统调用和库函数概念

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。

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

1.系统调用接口

系统调用接口是操作系统提供给应用程序的一组接口，它可以让应用程序通过操作系统来访问计算机系统中的各种资源，例如文件、网络、设备等。系统调用接口通常由操作系统提供的动态链接库（DLL）或共享库（Shared Library）来实现，应用程序可以通过调用这些库中的函数来访问操作系统提供的服务。

为什么需要系统调用接口呢？

这是因为操作系统不能直接对各种软硬件直接进行操作，这又是因为操作系统不相信任何用户，操作系统不确定我们是否对各种软硬件进行违法操作，就好比我们生活中银行我们只能在窗户外面进行办理业务，这也是银行不相信任何人，通过这个窗口给我们提供服务，同理，操作系统也给我们用户提供各种服务，比如用户访问软硬件的需求，从磁盘 读入数据，写入数据。所以操作系统给用户提供系统调用的接口，这样就使得我们在访问软硬件的时候，直接调用系统调用接口，然后由操作系统来帮助用户来完成对应的工作，这样就和银行的工作原理类似，通过窗口来帮助用户来满足用户的需求，操作系统这样实现既满足了用户的需求，又保护了软硬件环境。

这样我们可以根据银行的工作情况来对其更好的理解。

这里我们需要注意的是，Linux操作系统是雷纳斯-托瓦兹大佬使用C语言编写的，所以Linux的各种系统调用的接口都是C式的接口，即各种函数接口是用C语言编写的

2.用户操作接口

用户操作接口指的是应用程序提供给用户的一组接口，它们可以让用户与应用程序进行交互并操作应用程序。用户操作接口通常包括以下几种类型：

1.图形用户界面（GUI）：提供了一种直观、易用的图形界面，让用户可以通过鼠标和键盘等输入设备与应用程序进行交互。GUI通常包括窗口、菜单、按钮、文本框等控件，使得用户可以方便地进行各种操作。

2.命令行界面（CLI）：提供了一种基于文本的命令行界面，让用户可以通过键盘输入命令来操作应用程序。CLI通常包括命令行提示符、命令行参数、命令行选项等，使得用户可以更加灵活地操作应用程序。

3.应用程序编程接口（API）：提供了一组编程接口，让开发者可以通过代码来操作应用程序。API通常包括函数、类、方法等，使得开发者可以更加灵活地定制应用程序的功能。

4.语音用户界面（VUI）：提供了一种基于语音的用户界面，

为什么需要用户操作接口？

系统调用接口对用户的要求比较的高，用户操作接口是为了让用户能够与计算机系统进行交互而设计的。通过用户操作接口，用户可以输入命令、浏览信息、执行任务等等。这样一来，用户就可以更加方便地使用计算机系统，提高工作效率和用户体验。同时，用户操作接口也有助于降低用户对计算机系统的学习成本，使得更多的人可以轻松地使用和掌握计算机技术。

所以，这样用户就可以通过这些操作接口进行指令操作，开发操作以及管理操作等等，对于我们在Linux下使用 的ls 指令，将磁盘文件信息写入到显示器，touch指令等等本质上都是调用系统接口，在磁盘上创建文件，将磁盘文件信息写入来完成对应的工作

四、计算机的软硬件体系结构

【总结】

操作系统对所有的软硬件资源进行管理，同时为用户提供访问软硬件资源的系统调用接口，由操作系统来完成对资源的各种访问，为了降低用户的使用成本，操作系统提供了各种用户操作接口来访问软硬件资源，用户操作接口的底层再来调用系统调用接口，从而来完成用户的各种需求，此时，操作系统就将用户，软硬件有机联系了起来

至此，我们的计算机软硬件体系结构就搭建起来了：