Linux--系统结构与操作系统_linux操作系统架构

冯诺依曼体系结构

冯诺依曼体系结构是计算机体系结构的基本原理之一。它将程序和数据都以二进制形式存储，以相同的方式处理和存取。

上图是冯诺依曼体系结构的五大组成部分。

输入设备：用于向计算机输入数据和命令的设备。它们使用户与计算机进行交互，并将信息传输到计算机中进行处理。
常见的输入设备包括有：鼠标、键盘、话筒、摄像头、磁盘、网卡等。
上面除了磁盘和网卡都很好理解。
磁盘是计算机中常用的外部存储设备，用于存储和检索大量的数据。当存储器向磁盘读取数据时，它就是输入设备；
网卡也称为网络适配器或网络接口卡，是计算机连接到计算机网络的设备。它是负责将计算机中的数据转换成网络可识别的格式，并通过物理连接发送到目标设备或网络。同时，它也负责接收网络的数据，并将其传输到计算机中，这时它就是输入设备。

输出设备：用于将计算机处理的数据、图像或其他信息以可读可感知的形式呈现给用户或其他设备。
常见的输出设备有：显示器、打印机、扬声器、声卡、显卡、磁盘、网卡等。
磁盘和网卡在都是既作为输出设备，也作为输入设备的。

存储器：用于保存和存储数据和指令。它被分为两种类型：主存储器和辅助存储器。
主存储器：用于临时存储数据和指令的地方。它是CPU能够直接访问和存储的空间，数据可以快速的读取和写入。通常来说，是随机存取存储器(RAM)的形式。主存储器的容量越大，计算机能够同时存储和处理的数据量就越多。
辅助存储器：用于喜欢长期存储大量的数据和程序。辅助存储器的访问速度比存储器慢，但容量比较大.像我们刚才介绍的磁盘就是属于这类存储器的。它可以永久保存数据，即使在断电后也能保持数据的存储。

运算器：运算器也称之为算术逻辑单元。它负责执行各种算术和逻辑运算，是中央处理器的核心部分。像一些加减乘除、与或非这些运算。
通常读取存储器的数据，并将其传递给其他组件进行进一步处理。

控制器：负责协调和控制计算机中各个硬件和软件组件的工作。它是中央处理器的一部分，也是单独的逻辑电路和芯片。
一般来说，控制器从内存中读取指令，并将其解码，根据指令的要求执行相对应的操作。控制器会通过生成和发送时钟信号来同步各个组件的操作。确保计算机各个部件按照正确的时序进行工作。

那为什么要将计算机分为这五大部分呢？

主要是为了模块化和分工的目的。计算机拆分为不同的部分可以使得相对独立的设计、开发和维护，提高系统的可拓展性和维护性。也让每个部分可以根据实际需求进行升级和优化，而不影响其他部分的功能和性能。

而这样也就表示着，这五部分都必须进行相对应的连接，设备之间都有相对应的数据流动。数据之间的流动实质上就是数据之间的来回拷贝。
而拷贝的速度，也是决定计算机效率的重要指标（一般是存储器和CPU之间的数据传输）。

为什么要有内存？

通过上面的介绍，存储器是用来存储数据的。那如果CPU速度够快，不就可以省去存储器来直接计算输入的数据了。

理论来说，可以。但是贵啊！
而有了内存，就可以做出以下的事情：

1. 数据共享：通过内存，计算机的不同组件（如CPU和外部设备）可以共享数据。CPU可以将处理结果存储在内存中，然后其他组件可以读取这些数据，并在其基础上进行进一步的计算或其他操作。

2. 缓存功能：内存还用于缓存数据。由于内存的读取速度较快，它可用于存储对处理器频繁访问的数据，以加快计算机的整体性能。

3. 暂时存储:内存还可以用作临时存储，将需要在计算过程中频繁访问的数据暂时保存在内存中。这样可以避免频繁地从外部存储设备读取数据，提高了计算机的运行效率。

4. 程序执行：计算机的程序和指令需要加载到内存中才能被CPU执行。内存提供了一个临时的工作区域，使得程序能够以更快的速度被读取和执行。

5. 多任务处理：内存使得计算机可以同时存储和处理多个程序或任务。不同的程序可以被加载到内存的不同位置，并且可以在其中相互切换，从而实现并发执行的能力。

所以，内存的存在，本质上也是为了提高计算机的运行效率，他能让CPU做出更多的事情。最终，引入内存，把效率的问题转化为软件问题。计算机的效率主要以内存的效率为主。且让计算机的价格足够便宜。

而对于存储单元来说，也有自己的等级梯度(寄存器、三级缓存、主存储器、辅助存储器)，一般来说，运行效率越高，价格越贵，单体容量越小，反之；CPU会根据数据的存储性质存储到适合的存储单元中，实现高效的数据处理和存储管理。

场景一

程序运行的时候，都需要将程序加载到内存中；
对于程序来说，实际上是存储在磁盘中的，也就是输出设备；
当你要对程序进行运行时，实际上就是指令的执行和数据的运行，而这些执行都是交给CPU来操作的。
而CPU的数据索取，就是要从内存中来的。最终会在显示器上进行显示。

操作系统

操作系统是计算机系统中的一种软件，它是进行软硬件资源管理的软件。

资源管理：操作系统负责管理计算机的硬件资源，包括处理器、内存、磁盘、输入输出设备等。它通过任务调度算法合理分配处理器时间片、内存空间和其他资源，以便多个程序或用户可以同时运行而不干扰彼此。

进程管理：操作系统通过进程管理来控制程序的执行。它创建和销毁进程，分配和释放进程所需的资源，以及调度和协调进程之间的执行顺序，确保它们正常运行且不发生冲突。

内存管理：操作系统管理计算机的物理内存和虚拟内存。它负责将进程从磁盘加载到内存中，并动态分配和回收内存空间，以便给进程提供足够的内存供其执行。

文件系统管理：操作系统管理计算机的文件系统，它负责文件和目录的创建、删除、读写等操作。文件系统提供了一种结构化的方式来存储和组织数据，使用户和应用程序能够方便地访问和管理文件。

设备驱动程序：操作系统提供设备驱动程序来控制和管理计算机的输入输出设备，如键盘、鼠标、打印机等。它通过驱动程序与硬件进行通信，使应用程序能够与设备进行交互。

用户界面：操作系统为用户提供了一个交互的界面，使用户可以通过命令行、图形界面或其他方式来与计算机进行沟通和操作。用户界面可以让用户轻松地执行各种任务，如启动应用程序、管理文件、设置系统参数等.

何为管理？

对于系统来说，它就是一个管理者，而硬件部分，就是被管理者；管理者一般都是做决策的人，而被管理者就是做执行的。

以校园生活为背景，校长就是管理者，辅导员是保证管理决策落地，学生是被管理者；
而管理者与被管理者之间是不需要见面的。
因为管理一个人的本质是对于你这个人的数据进行管理的；
管理者的核心工作是决策，根据数据做决策；

而对于怎么取得到你的个人信息，就必须你本人进行上报给辅导员；然后学校会会进行统一管理；对于系统来说，也就是硬件要有对应的驱动程序。

而在一个学校中，学生的数量会非常多，那么就必须将人的管理转化为数据的管理；利用你的个人信息进行不同的分门别类；当要取出你的数据时，只需要匹配上你的信息数据即可。

管理者校长的决策，也就是对你的个人信息的数据进行管理而已。

而在操作系统中，被管理者硬件部分实际上就是先描述你的具体信息，然后才有对应的驱动，管理者系统才能对硬件进行组织管理。
总结就是先描述，再组织!