冯·诺依曼体系结构

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。

截至目前，我们所认识的计算机，都是由一个个的硬件组件组成：

1. 输入单元：包括键盘, 鼠标，扫描仪, 写板，磁盘、摄像头、网卡等
2. 输出设备：显示器、打印机、播放器、磁盘、网卡
3. 中央处理器(CPU)：CPU中有运算器和播放器，运算器对数据进行计算(算数运算和逻辑运算)；控制器对计算机硬件流程进行一定的控制。

在图中我们还可以看到存储器，存储器指的就是内存。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(输入或输出设备)。外设(输入或输出设备)要输入或者输出数据，也只能写入内存或者从内存中读取。一句话：所有设备都只能直接和内存打交道。

因为CUP的运行速度很快，而输入输出设备的读取/写入速度很慢，如果直接让CPU和输入输出设备交互，CUP会有很长时间是闲置的，这就造成了资源浪费。而内存的速度介于输入输出设备和CPU之间，所以让内存充当输入输出设备和CUP之间的枢纽可以减少资源浪费，在CPU计算的同时，可以将要处理的数据提前加载到内存中，等CPU要处理时可以直接有内存提供数据，极大提高了运算效率。

操作系统

概念

任何计算机系统都包含一个基本的程序集合，称为操作系统(OS)。

操作系统通过帮助用户管理好软硬件资源，来为用户提供良好的执行环境。

笼统的理解，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）

操作系统的作用

1. 与硬件交互，管理所有的软硬件资源
2. 为用户程序（应用程序）提供一个良好的执行环境

定位

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

机制

图示为冯诺依曼体系结构下的计算机软硬件结构。最底层为一个个硬件，磁盘、鼠标、键盘等，每一个硬件都有自己对应的驱动程序，只有驱动程序才能控制相应的硬件。

操作系统担任底层硬件的管理工作，包括：内存管理，进程管理，文件管理，驱动管理。

所以操作系统管理底层硬件是通过管理硬件对应的驱动来实现的。

这就是操作系统管理底层硬件的结构。

而操作系统为了保证自己内部数据的安全，也为了保证能给用户提供服务，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。

系统接口是由操作系统提供的，用C语言实现的，自己内部的函数调用。所有访问操作系统的行为，都只能通过系统调用完成。

所以用户是不能直接对操作系统内部的数据进行操作的，想要对操作系统进行操作，只能通过操作系统提供的系统调用接口。

而有一些程序员又对系统调用接口进行封装，形成了库，用户在编写程序时，可以调用库方法，库方法会调用系统调用接口，通过这样的方式来操作操作系统。

操作系统如何管理硬件

在操作系统中，管理任何对象，最终都可以转化成为对某种数据结构的增删查改。

所以操作系统中存在大量的数据结构。

操作系统管理硬件遵循一个原则：先描述，再组织。

描述指的是用结构体来存储硬件的各种信息，创建一个结构体对象，通过对该结构体对象的增删查改代表对硬件的管理。

先描述，再组织。

描述指的是用结构体来存储硬件的各种信息，创建一个结构体对象，通过对该结构体对象的增删查改代表对硬件的管理。

组织指的是多个结构体对象的管理方式，一般是用链表或其他高效的数据结构。