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? ? ? ? 前面我們已經學習了Linux的基礎指令和基礎開發工具，這一篇博客我們從宏觀上來看看計算機——馮諾依曼模型與操作系統的管理藝術 ！準備好了嗎~我們發車去探索計算機的奧秘啦~🚗🚗🚗🚗🚗🚗
目錄
馮諾依曼體系結構😜
概念😀
🖥? 五大組成部分
🔁 兩大核心特點
? 數據流動原則
實例說明：QQ聊天與文件發送🙃
操作系統😝
操作系統是什么？😁
操作系統的設計目的😄
操作系統的核心功能（內核負責）😋
操作系統如何實現“管理”？😍
操作系統如何提供服務？—— 系統調用與庫函數?
總結?
馮諾依曼體系結構😜
概念😀
????????馮諾依曼體系結構（Von Neumann Architecture）是現代計算機系統的理論基礎，由數學家約翰·馮·諾依曼于1945年提出。我們常用的計算機如筆記本，我們不常用的計算機如服務器，大部分都遵守了馮諾依曼體系結構。該體系結構明確了計算機的基本組成和工作方式~
🖥? 五大組成部分
? ? 輸入設備（Input Unit）
? ? ? ? 例如：鍵盤、鼠標、掃描儀、攝像頭、麥克風、網卡等。
? ? ? ? 功能：將外部數據或指令輸入到計算機中。
? ? 存儲器（Memory）
? ? ? ? 特指內存（RAM），是CPU直接訪問的存儲區域。
? ? ? ? 所有輸入/輸出設備的數據必須通過內存進行中轉。
? ? 運算器（Arithmetic Logic Unit, ALU）
? ? ? ? 負責執行所有的算術運算（如加減乘除）和邏輯運算（如與或非）。
? ? 控制器（Control Unit）
? ? ? ? 指揮協調各部件工作，解析并執行指令（如程序代碼），進行邏輯控制。?
運算器與控制器合稱為中央處理器（CPU）
? ? 輸出設備（Output Unit）
? ? ? ? 例如：顯示器、打印機、音響、網卡等。
? ? ? ? 功能：將處理結果輸出給用戶或外部設備。
🔁 兩大核心特點
? ? 1、存儲程序原理
? ? ? ? 程序和數據都以二進制形式存儲在內存中，CPU按順序讀取并執行指令。
? ? 2、以運算器為中心
? ? ? ? 所有設備通過內存與CPU交互，CPU不直接訪問外設，外設也不和CPU直接打交道。
? 數據流動原則
????????所有設備只能直接與內存交換數據，CPU不直接操作外設~外設輸入數據時，先寫入內存；CPU從內存讀取數據運算，結果寫回內存；輸出設備從內存讀取結果并輸出~
? ? ? ? 換言之，內存的本質是CPU和外設的緩存，數據流動的本質就是拷貝，計算機整體效率本質上就是設備間拷貝的效率~
????????內存是核心中轉站，協調高速CPU與低速外設之間的速度差異~
????????效率層次：CPU > 內存 > 外設（如硬盤、鍵盤等）~
????????內存的引入使得計算機在成本和效率之間取得了良好的平衡，讓用戶能夠以相對較低的成本獲得一臺性能不錯的計算機，從而提升了計算機的“性價比”。
實例說明：QQ聊天與文件發送🙃
1. 發送文字消息：
? ? 輸入：鍵盤輸入字符 → 數據存入內存。
? ? CPU處理：從內存讀取數據，進行編碼、打包等操作。
? ? 輸出：數據從內存經網卡發送到網絡 → 對方接收后存入其內存 → 對方CPU處理 → 結果顯示在對方屏幕上。
2. 發送文件：
? ? 輸入：文件從硬盤讀入內存（外設→內存）。
? ? CPU處理：對文件數據分包、加密等。
? ? 輸出：數據包經網卡發送 → 對方接收后存入內存 → 寫入硬盤（內存→外設）。
????????馮諾依曼體系結構通過“存儲程序”和“集中式內存訪問”機制，奠定了現代計算機的基礎。通過理解這一模型有助于深入理解軟件與硬件的交互方式，尤其是數據流如何在不同設備間通過內存進行協調與傳輸。
操作系統😝
操作系統是什么？😁
操作系統是計算機系統中最基本、最核心的系統軟件。
從組成上看：
? ? ? ? 狹義的操作系統：特指其內核（Kernel），這是操作系統的核心部分，直接負責管理硬件和核心資源。
? ? ? ? 廣義的操作系統：除了內核外，還包括一系列必要的程序集合，例如：外殼（Shell）：提供用戶與內核交互的界面（命令行或圖形界面）；函數庫（如glibc）：將復雜的系統調用封裝成更易用的函數；其他系統級軟件。
從定位上看：
? ? ? ? 它是一款純正的 “搞管理”的軟件【軟硬件管理】。在整個計算機軟硬件架構中，它處于承上啟下的關鍵位置。
操作系統的設計目的😄
? ? 對下（管理硬件）：與硬件交互，統籌管理所有的軟硬件資源（如CPU、內存、硬盤、網卡等），這是它實現的手段。
? ? 對上（服務應用/用戶）：為用戶程序（應用程序）提供一個穩定、安全、高效的執行環境，這是它追求的目的。
????????用戶通過應用程序使用計算機硬件，而這些資源是有限的。操作系統的必要性就在于它作為公正的“管理者”，避免了應用程序對資源的無序爭搶，保證了整個系統的有序和高效。
操作系統的核心功能（內核負責）😋
內核主要包含四大管理功能：
? ? 進程管理：管理正在運行的程序（進程/任務/線程），負責CPU資源的分配和調度。
? ? 內存管理：負責內存的分配、回收、以及虛擬內存等，保證各個進程能安全地使用內存。
? ? 文件管理：管理硬盤上的文件和目錄，提供文件系統供用戶和程序讀寫數據。
? ? 驅動管理：管理和控制所有的硬件設備（如鍵盤、顯示器），為上層提供統一的接口。
操作系統如何實現“管理”？😍
操作系統管理方法可以概括為：“先描述，再組織”~管理本質上是對被管理對象有效數據的管理~
先描述（Description）
? ? ? ? 做法：使用數據結構（在C語言中主要是 struct 結構體） 來抽象一個被管理對象的所有關鍵信息。
? ? ? ? 例子：
? ? ? ? ? ?管理進程？就定義一個 struct task_struct，包含進程ID、狀態、優先級、內存指針等。
? ? ? ? ? ? 管理文件？就定義一個 struct file，包含文件大小、路徑、權限等。
? ? ? ? ? ? 管理硬件？就定義一個 struct hard_device，包含設備類型、狀態、容量等。
? ? ? ? 結論：管理的本質不是管理實體本身，而是管理描述這些實體的數據，操作系統內核中充滿了大量的數據結構。
再組織（Organization）
? ? ? ? 做法：將這些描述好的結構體實例，通過高效的數據結構（如鏈表、樹、隊列等） 組織起來。
? ? ? ? 例子：所有進程的 task_struct 通過指針連接成各種隊列（就緒隊列、等待隊列）；所有設備結構體被鏈成一個 device_list。
? ? ? ? 目的：管理者（OS）要執行操作（如分配CPU、查找文件），就變成了對這些數據結構進行增刪改查，這就是為什么學習數據結構和算法對理解OS至關重要。
通俗類比：校長【操作系統】管理學生【硬件】，不需要認識每個學生，他只需要一份包含所有學生信息（學號、成績、班級）的花名冊【有效信息】（描述），并將這些信息按班級或成績排序（組織）。管理學校，其實就是管理這份花名冊，同時還有輔導員【驅動程序】的存在進行分學院管理~
操作系統如何提供服務？—— 系統調用與庫函數?
? ? 系統調用（System Call）：操作系統會將部分內核功能以接口形式暴露給上層開發者，這些接口稱為系統調用，它們功能基礎但強大，是用戶程序訪問硬件和內核服務的唯一入口。
? ? 庫函數（Library Function）：系統調用使用復雜，因此開發者會對它們進行封裝，形成更易用的庫（如C標準庫）。我們日常編程使用的 printf()、fopen() 等函數，其底層最終都會調用相應的系統調用，所以庫函數和系統調用也是上下層的關系。
????????
總結?
????????操作系統是計算機系統的“大管家”。它位于硬件之上，應用之下，通過“先描述（用struct），再組織（用鏈表等數據結構）”的科學方法，將對CPU、內存、磁盤、設備等物理資源的管理，轉化為對數據的管理。它通過系統調用對外提供服務，并最終為用戶提供一個穩定、高效、安全的計算環境。
???本篇博客內容結束，期待與各位優秀程序員交流，有什么問題請私信???
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