Linux系统编程（1）--简单了解OS

冯诺依曼体系结构

我们的计算机硬件方面：

• CPU=运算器+控制器+其他（图中没有体现）

CPU有自己的一套二进制代码指令集，其功能简单来说就是执行别人下发的指令并计算别人提供的数据。

• 输入设备（如磁盘、键盘），输出设备（如网卡、显示器）相对于CPU和内存而言相当于外设。

从上述结构图中，我们可以了解到一个关键信息：

在数据层面，CPU只和内存交互，不和外设交互。外设中数据时，只能载入到内存；同时内存中数据，也只能写出到外设。数据在内存和外设中交互，称为IO（INPUT/OUTPOUT）。

故：程序要运行必须先加载到内存，因为CPU只从内存访问数据。

随之而来的问题就是：为什么需要使用内存，而不直接将数据从输入设备给到CPU，再由CPU写出到输出设备？

内存是临时的数据存储，即断电数据丢失，硬盘是永久存储设备，但内存的读写速度比硬盘快多个数量级，这是物理层面上决定的。CPU的计算速度极快，和硬盘的读写速度及其不匹配，为了缓解两者的速度差异，提高整机性能，便使用内存作为一层缓存层。

操作系统

在上述物理架构的基础上，需要数据将数据从外设加载到磁盘，CPU才能访问数据。那么“什么时候加载数据？”、“每次加载多少数据？”、“内存中的数据CPU不使用了又该如何处理？” ，这样类似的多种问题，便需要操作系统（OS）来帮我们进行各种策略。

操作系统本质上是：进行软硬件管理的软件。

首先我们需要先对"管理"有一个充分的理解：管理者做决策，被管理者做执行，而管理者和被管理者并不需要直接的交互，管理者依然能够管理被管理者。好比在公司中，上层老板是管理者，下层员工是被管理者，而老板对公司的管理，对员工的管理，并不需要直接和员工交互（或者说咱底层员工真正见过大老板几面😂）。

管理者的决策要有依据，依据便是数据。虽然员工不和大老板交互，但是员工的数据，如干了多久、多大年龄、多少产出...，大老板都能知道。

故，管理的本质是对数据的管理。

当数据过多时，又应该如何更好的管理数据？

所有的管理，其本质逻辑方法：先描述（成结构/类），再（使用对应的数据结构）组织。

故在操作系统中，对软硬件的管理，也就转化为了对其描述出的数据结构的管理。

该图中，OS往下通过驱动对硬件进行管理，按照“先描述，再组织”的管理方法，我们大致可以猜到OS内核中大概会有类似这样的代码来管理硬件：

struct dev {
  struct dev* next;
  int type;
  int status;
  ...
} // 先描述硬件设备

list dev_list; // 再使用链表结构进行管理
struct dev disk_dev;
struct dev keyboard_dev;
dev_list.insert(dist_dev);
dev_list.insert(keyboard_dev);

OS对下要保证自身和底层设备的安全，所以OS不能相信任何用户。好比一家银行系统不会相信任何一个用户，其不可能让用户直接去他们的仓库直接取钱或者存钱，但银行又必须为用户提供服务，故其提供了银行柜台窗口来为用户提供接口式的服务。OS同理，OS保证自身安全的同时，又必须为上层用户提供服务，故OS为上层提供了OS接口，这些接口也就称为系统调用。

故，系统调用本质上就是：OS通过C语言提供的函数调用。

而要求用户直接使用系统调用及其麻烦，也就出现上层的多种工具封装了系统调用如shell（提供指令操作），c/cpp的库（提供编程操作），图形化界面等来简化用户使用OS的难度。