先谈硬件——冯诺依曼体系结构

我们常见的计算机（PC）、不常见的计算机（工作站、服务器等），大部分都遵守冯诺依曼体系。

冯诺依曼体系结构的5大部件

冯诺依曼体系将计算机的硬件分成了主要的三部分:

1. 输入、输出设备
2. 中央处理器（CPU，由运算器和控制器组成）
3. 存储器

不考虑缓存情况，CPU能且只能对内存进行读写，不能访问外设
一句话，所有设备都只能直接和内存打交

输入输出设备

• 输入设备 ： 向计算机输入数据和信息的设备。例如：鼠标、键盘、摄像头、话筒、磁盘、网卡…

• 输入设备 ： 是计算机硬件系统的终端设备，用于接收计算机数据的输出。例如：显示器，打印机、声卡、磁盘、网卡…

→ 输入设备 和 输出设备 统称为外围设备（外设）
有的设备是纯的输入/输出设备，也有的既是输入设备又是输出设备（例如磁盘、网卡等）。

存储器

“存储器” 指的是内存。而外存（软盘、硬盘、光盘、U盘、移动固态硬盘(SSD) 和移动硬盘(HDD)等 ）对应的是输入输出设备

• 内存： 计算机中的主要存储区域，用于存放当前正在执行的程序和数据。处理器可以快速访问内存中的数据。由于其高速读写的特点，内存通常用于临时存储那些需要快速访问的数据，比如操作系统内核、正在运行的应用程序及其数据等。断电后会丢失，容量小，速度快

• 外存：用于长期存储数据的设备，断电后数据也不会丢失，容量比较大，但存取速度慢。外存主要用于存储操作系统、应用程序、用户文件（如文档、图片、视频等）和备份数据。外存的成本相对较低，特别是在大容量存储需求下更具性价比。常见的外存设备包括硬盘驱动器（HDD）、固态硬盘（SSD）、光盘、U盘等。

内存是为了适配外设和CPU速度不均的问题。

中央处理器（CPU）

中央处理器（Central Processing Unit，简称CPU）是计算机的核心组件，被誉为计算机的“大脑”。它负责执行计算机中的指令并处理数据，是所有计算机系统的控制中心。
广义上我们把CPU分为两个模块：运算器 + 控制器。二者涵盖了CPU的基本功能

• 运算器的作用：对数据进行计算。分为算术运算 和 逻辑运算。

• 控制器的作用：控制计算硬件的流程。

当对CPU的组成进行的更细致的描述，我们可以划分为：

• ①算术逻辑单元（ALU）：负责执行所有算术和逻辑运算，如加减乘除、与或非等操作
• ②控制单元（CU）：负责从内存中取指令，解释并执行指令。CU控制着整个计算机系统的操作流程，指挥数据如何在CPU和其他部件之间移动。
• ③寄存器（Registers）：CPU内部的高速存储单元，用于临时存储指令、数据和地址等信息。寄存器的数量和类型直接影响CPU的处理能力。
• ④缓存（Cache）：位于CPU内部或与其紧密耦合的存储器，用于存储频繁使用的数据和指令。缓存的存在大大加快了CPU对数据的访问速度。

冯诺依曼体系结构示意图

图中这五大部件都是独立的个体，要组成计算机，各个硬件单元就必须用 “线” 连接起来，这个 “线” 就是总线。
总线分为 系统总线 和 IO总线

系统总线：存储器（内存）和CPU之间交互的 “线”
I/O总线：存储器（内存）和输入输出设备之间交互的 “线”

再谈软件——操作系统

操作系统是一款用来管理硬件和软件的软件。

任何计算机系统都包含一个基本的程序集合→操作系统(OS，operating system)。

广义来讲操作系统包括：
① 内核（进程管理，内存管理，文件管理，驱动管理）
② 其他程序（例如函数库，shell程序等等）

操作系统的 目的 和 定位

操作系统可以帮助用户管理好所有的软硬件资源（手段）

为用户提供良好的运行环境（目的）
这个“良好”指的是什么呢？→稳定、高效、安全是最基本的！

在整个计算机软硬件架构中，操作系统的定位是：一款纯正的 “搞管理” 的软件

总结来说，操作系统通过管理好底层的软硬件资源，以达到为用户提供良好的运行环境的目的

如何理解 “管理”

在学校中，校长作为管理者，通常不需要与每个学生直接见面。校长在不直接接触学生的情况下，如何有效地进行管理？
①获取信息： 校长通过各种渠道（如教师报告、学生成绩、出勤记录等）获取学生的数据信息。这些信息能够帮助校长了解学生的整体情况。
②分析数据： 校长分析收集到的数据，以识别学校和学生的发展趋势、问题以及需要改进的地方。
③制定决策： 基于数据分析，校长可以制定适当的政策和决策，以促进学生的学习和成长。这些决策可能包括调整课程设置、改善教学方法、提供额外的支持和资源等。
④间接管理： 通过管理教师和学校的其他资源，校长间接地对学生进行管理和影响。教师在课堂上直接与学生互动，但校长通过对教师的指导，实现了对学生的管理。

类比的看，我们可以得出如下结论

• 1、管理者和被管理者是不需要见面的

• 2、管理者在不见被管理者的情况下，如何做好 “管理” ？

• • 只要能得到被管理者的数据信息，就可以在未来进行管理和决策
• • 因此管理的本质是通过对数据的管理，达到对人的管理

• 3、管理者和被管理者面都没见过，被管理者的数据是如何拿到的？

• • 通过 “执行者” —— 驱动程序

管理者管理任何对象时，遵从“先描述，再组织”的原则。
因此在操作系统中，管理任何对象，最终都可以转化成对某种数据结构的增删查改。

总结

计算机管理硬件，首先要把硬件描述起来，由于Linux内核是用C语言写的（C语言没有容器），就注定了要管理计算机资源就只能用struct结构体来描述；结构体描述好之后，要把描述的结构体组织起来，就需要用到链表或其他高效的数据结构（具体要结合场景）

系统调用 - system call

在开发角度，操作系统对外会表现为一个整体向用户提供服务，但是为了保护数据安全，不会把自己完全地暴露给用户（操作系统不相信任何用户），但为了保证给用户能够提供服务，操作系统以接口的方式给用户提供调用的入口，来获取操作系统内部的数据，供上层开发使用。对这些接口的调用，叫做系统调用。

所谓 “接口” ，实际上就是操作系统设计的函数。（接口是操作系统提供的，用C语言实现的）

（换句话说，操作系统存在的最大价值不在于它把软硬件资源管理的有多么好，而在于它能够给用户提供良好、稳定的运行环境。因此操作系统在不相信任何用户的情况下，它也必须给用户提供安全稳定的运行环境，所以，操作系统就必须要给用户提供让用户访问操作系统内数据的接口）

→ 所有访问操作系统的行为，都只能通过 系统调用 完成

对于所有的语言，若要进行任何间接访问硬件的操作，必须要经过操作系统，而要经过操作系统，就必须通过系统调用

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，就更有利于更上层用户或开发者进行二次开发。

→ 库函数也就是对系统调用的封装的产物。

例如C语言的printf()函数，打印的结果能否直接写道硬件上？不能！
——因为硬件是被管理的，要操作硬件，就需要让管理者知道你要访问这个硬件。因为硬件的管理者是上层的操作系统或者驱动，所以printf()函数若想访问底层的硬件资源，不能直接访问，只能“贯穿”操作系统。

这也就意味着，我们使用C/C++语言，任何间接访问硬件的操作，都必须经过操作系统，而我们上面讲过，操作系统不相信任何用户，它只会给用户提供调用接口，这就注定上层的printf()是一个C标准库的函数，它的底层需要封装系统调用接口

因此，任何计算机语言库函数 和 系统调用 的关系是：（上下层的）调用和被调用的关系！
（库函数是上层，系统调用是下层）