【Linux】初识操作系统

news2025/1/13 2:42:25

一、冯•诺依曼体系结构

在学习操作系统之前，我们先来认识一下冯•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，都是有一个个的硬件组件组成

1.输入单元：包括键盘, 鼠标，扫描仪, 写板等
2.中央处理器(CPU)：含有运算器和控制器等
3.输出单元：显示器，打印机等

关于冯诺依曼，必须强调几点：

1.这里的存储器指的是内存不考虑缓存情况，
2.这里的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)
3.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。
4. 一句话，所有设备都只能直接和内存打交道

我们需要把数据或问题交给计算机，所以计算机必须要有输入设备，中间通过计算机运算后，计算机还要把计算结果输出出来，所以计算机必须要有输出设备。

可是计算机光运算是不够的，他还需要控制何时在输入设备中拿数据，何时出输出设备，所以这里，我们的控制功能出现了。

现在，我们把这个具有算数运算逻辑运算和控制功能的处理器叫做CPU，但是输入设备和输出设备相对于中央处理器来说是非常慢的，于是在当前这个体系整体呈现出来的就是，输入设备和输出设备很慢，而CPU很快，根据木桶原理，那么最终整个体系所呈现出来的速度将会是很慢的。

于是我们就不让输入设备和输出设备直接与CPU进行交互，而在这中间加入了内存。

内存有个特点就是，比输入设备和输出设备要快很多，但是比CPU又要慢。现在内存就处于慢设备和快设备之间，是一个不快也不慢的设备，能够在该体系结构当中就起到一个缓冲的作用。
现在该体系的运行流程就是：用户输入的数据先放到内存当中，CPU读取数据的时候就直接从内存当中读取，CPU处理完数据后又写回内存当中，然后内存再将数据输出到输出设备当中，最后由输出设备进行输出显示。于是就形成了最终的冯诺依曼体系结构。

根据冯诺依曼体系结构图，我们可以知道，站在硬件角度或是数据层面上，CPU只和内存打交道，外设也只和内存打交道。为什么程序运行之前必须先加载到内存？

因为可执行程序（文件）是在硬盘（外设）上的，而CPU只能从内存当中获取数据，所以必须先将硬盘上的数据加载到内存，也就是必须先将程序加载到内存。

常见的输入输出设备：

输入设备：键盘、鼠标、网卡、硬盘、话筒、摄像头、扫描仪等。
输出设备：显示器、音响、网卡、硬盘、打印机等。

我们经常说CPU当中有寄存器，实际上寄存器不仅仅在CPU当中存在，在其他外设当中也是有寄存器的。例如，当我们敲击键盘时，键盘是先将获取到的内容存储在寄存器当中，然后再通过寄存器将数据写入内存当中。

在物理层面上，各个硬件单元之间是通过总线连接的，外设与内存之间的总线叫做IO总线，内存与CPU之间的总线叫做系统总线。

二、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)。笼统的理解，操作系统包括：

内核（进程管理，内存管理，文件管理，驱动管理）

其他程序（例如函数库，shell程序等等）

设计OS的目的：

与硬件交互，管理所有的软硬件资源

为用户程序（应用程序）提供一个良好的执行环境

操作系统的上下层都有什么：

我们可以直接发现的是计算机的硬件，而操作系统就是用来管理这些硬件的，比如内存什么时候读取输入设备的数据，一次读多少，内存缓冲区什么时候刷新。

这里更重要的一点是：操作系统是不会和硬件直接打交道的

在操作系统和硬件之间，多了一层，叫做驱动层，由驱动层去单独控制硬件，比如我们所熟知的鼠标键盘驱动，网卡声卡驱动，硬盘磁盘驱动。有了驱动层，操作系统只需关心什么时候读取数据，不用关心怎么读取了。

操作系统主要管理以下四项：

内存管理：内存分配、内存共享、内存保护以及内存扩张等等。
驱动管理：对计算机设备驱动驱动程序的分类、更新、删除等操作。
文件管理：文件存储空间的管理、目录管理、文件操作管理以及文件保护等等。
进程管理：其工作主要是进程的调度。

操作系统再往上就是我们所处的位置，在这里我们就可以用命令行或是图形化界面进行各种操作，这一层被称为用户层。用户不会直接访问操作系统，操作系统为了保护自己，只会放出一些接口，让用户间接访问，这一系列接口被称为系统调用接口。

但这些系统调用接口对我们普通用户来说使用成本又太高了，因为要使用系统调用前提条件是你得对系统有一定了解。所以在系统调用接口之上又构建出了一批库，例如libc和libc++。实际上在语言级别上使用的各种库，就是封装了系统调用接口的，我们就是通过调用这些库当中的各种函数（例如printf和scanf）进行各种程序的编写。