【Linux】-- 初识操作系统

一、冯诺依曼体系结构

    在了解操作系统之前，要先了解现代计算机系统。 现代计算机系统就不得不提到冯诺依曼体系结构。

     冯诺依曼体系结构是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构。程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置。

冯诺依曼体系结构有3个基本原则：

（1）二进制逻辑

（2）程序存储执行

（3）计算机由5个部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备

以下是现代计算机系统的存储架构 ：

• 输入设备：输入设备是给计算机获取外部信息的设备，主要包括键盘和鼠标、网卡
• 输出设备：输出设备是给用户呈现根据输入设备获取的信息经过一系列的计算后得到显示的设备，主要包括显示器、打印机等
• 存储器：存储器就是计算机的记忆设备，因此存储器可以保存信息。存储器分为两种，一种是主存，也就是内存，它是 CPU 主要交互对象，还有一种是外存，比如硬盘软盘等。
• 运算器：运算器最主要的功能是对数据和信息进行加工和运算。它是计算机中执行算数和各种逻辑运算的部件。运算器的基本运算包括加、减、乘、除、移位等操作，这些是由 算术逻辑单元(Arithmetic&logical Unit) 实现的。而运算器主要由算数逻辑单元和寄存器构成。
• 控制器：指按照指定顺序改变主电路或控制电路的部件，它主要起到了控制命令执行的作用，完成协调和指挥整个计算机系统的操作。控制器是由程序计数器、指令寄存器、解码译码器等构成。

其中，中央处理器CPU包括运算器和控制器。 这里存储器可以理解为内存，外设要输入或者输出数据，只能写入到内存或从内存中读取，输入和输出是站在存储器角度看的。

冯诺依曼体系结构工作原理：

    当输入设备**接收**到数据，数据将被**存储**到存储器，控制器发出取数据和**运算**的指令，数据被取出方去放入运算器中加以运算，运算结束后，控制器发出存入数据的指令并**输出**，数据被存储到存储器，再通过输出设备进行输出。（整个过程**控制器的指令占领导地位**） 。

这个过程类似于人类接收处理输出信息的过程：

    当眼睛看到某些信息，这些信息被存储到记忆装置，大脑从记忆装置取出信息，并加以思考运算，再放回记忆装置，大脑控制记忆装置将信息传输给嘴巴，将信息表达出来。（这个过程大脑的指令占领导地位）。

    对于使用qq聊天时的数据流动，站在纯硬件角度：

    qq软件在内存中，通过键盘输入消息到qq，就是输入消息到存储器，cpu要对消息进行加密计算，这就需要添加拷贝网络相关内容，CPU从存储器（内存）当中读取数据，再做计算，处理完后再写回到存储器，再经过网卡发送到网络，网络经过转发就到对方网卡了。

    到达对方网卡之后，数据进入输入设备，把数据从输入设备读入到内存，这样qq程序就把网卡内容读到了qq里面，进行解密，然后把包头信息去掉，再写入到内存，最后刷新到对方的显示器上。

外设和CPU在数据层面上，都直接和内存打交道。

二、操作系统

1.概念

操作系统是专门针对软硬件资源进行管理工作的软件。操作系统没启动之前在磁盘或外设，只有把操作系统加载到内存，操作系统才有意义。

2.为什么要有操作系统

操作系统存在的意义在于，对下管理好软硬件资源。 对上给用户提供稳定的、高效的、安全的运行环境。

三.操作系统

1.硬件层

冯诺依曼体系结构的组成部分都是计算机硬件，这些硬件都遵守冯诺依曼体系结构：

2.驱动层

程序员不可能直接跟这些硬件打交道，所以计算机的科学家们在这些硬件基础之上，安装了一层软件，能够根据用户输入的指令控制硬件，决定内存何时从输入设备读取多少数据，何时按照哪种刷新方式将缓冲区刷新到输出设备等，这层软件就是操作系统。操作系统为用户程序提供一个更好、更简单、更清晰的计算机模型。也就是说，操作系统相当于是一个中间层，为用户层和硬件提供各自的借口，屏蔽了不同应用和硬件之间的差异，达到统一标准的作用。

操作系统并不会直接和底层硬件打交道。所以在操作系统和底层硬件之间增加了一层驱动层，驱动层能够使操作系统控制底层硬件设备。它为操作系统提供外部设备的操作接口，并且实现设备的驱动程序。 操作系统可以不管操作的设备内部实现，只需要调用驱动的接口即可。

驱动程序是介于操作系统与硬件之间的媒介，实现双向的传达，即将硬件设备本身具有的功能传达给操作系统，同时也将操作系统的标准指令传达给硬件设备，从而实现两者的无缝连接。操作系统就只需关心何时读取数据，而不用关心数据是如何读取的了，也就是完成了操作系统与硬件之间的解耦。

那么驱动是如何成为这个媒介的呢？是通过安装硬件驱动来作为媒介，键盘、鼠标、硬盘、显示器、主板、显卡、声卡、网卡、打印机等硬件设备都有各自的驱动程序，驱动程序是硬件厂商根据操作系统编写的配置文件。

操作系统相当于计算机体系结构的大脑，驱动程序相当于四肢，来操控各种硬件。

3.操作系统层

操作系统既然用来管理软硬件资源，但是软硬件资源又那么多，怎么进行管理呢？根据资源可将管理分为以下4种：

• 内存管理：内存空间的分配与回收、地址转换、内存空间的扩充、内存共享、存储保护
• 驱动管理：设备驱动程序的分类、更新、删除等
• 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
• 进程管理：进程的调度

4.用户层

（1）用户层

操作系统为用户服务，那么操作系统之上就是用户层，用户层在Windows系统上就是图形化界面，在Linux上就是命令行：

（2）系统调用接口

但是操作系统会直接和用户层打交道吗？不会，因为操作系统不信任用户，为了保护自己，要在操作系统和用户层之间增加了一个系统调用接口，用来进行用户和内核空间的通信。系统调用接口是站在开发角度，操作系统对外会表现为一个整体，但是会暴露自己的部分接口，供上层开发使用，这部分由操作系统提供的接口，就叫做系统调用接口。：

（3）用户操作接口

系统调用并不和程序员直接交互。系统调用接口比较复杂，让程序员每次都使用系统调用接口去管理硬件的前提是对系统要有一定程度的了解。于是，就有厉害的人对系统调用接口进行封装，形成了库，比如GUN C&C++第三方库，以语言方式呈现，这就有了用户操作接口，有利于更上层用户或者开发者进行二次开发：

了解了各个层级的关系之后，就不难理解计算机体系图：

四、如何管理

1.管理规则

既然操作系统是搞管理的软件，那么如何管理软硬件资源呢？

• 管理者和被管理者并不直接打交道
• 管理策略是根据资源的属性和数据做出各种决策
• 管理者和被管理者并不直接打交道，那么数据又是怎样被管理者知道的呢？是通过决策的执行者知道的。

比如对于动物园的管理，园长作为管理者，动物管理员作为执行者，动物作为被管理者。园长并不和动物直接打交道，策略是根据动物的种类、状态制定的，园长获取动物的数据信息是通过策略的执行者即动物管理员知道的。

所以管理时，需要考虑做不做、如何做，然后再去做。园长作为管理者进行决策，但是园长并不去执行，而是由动物管理员这个执行者去执行的，所以执行者的任务就是执行管理者的决策。

2.如何管理

一般情况下，园长不待在动物园里，那园长是如何在看不到动物的情况下对动物进行管理的呢？假如需要举办一个动物展览会，园长如何决定让哪些状态最好的5只动物去参展呢？园长没见到这状态最好的5只动物，那么是如何进行管理的呢？---------根据属性和数据管理的

这些动物的属性和数据都会被整理成信息，比如动物外形特征表、动物健康状况表、动物居住信息表，这就是描述信息：

每只动物都有这3张表格，这3张表格就描述了一只动物园长通过对这3张表格的管理就实现了对每只动物的管理。C语言中将这3张表格称为抽象结构体，C++中叫做面向对象。对动物园中所有动物做管理，园长就可以将所有动物的信息组织起来，如何组织呢？这就要用到数据结构，比如顺序表、链表、树、哈希。每种组织方式都有自己的优缺点，可以选择合适的组织方式进行组织。假如以链表的形式组织：

将所有动物的信息表组织起来以后，对所有动物的管理就变成了对链表的增删查改，对动物的创建、删除、修改都可以对链表进行操作。

数据结构是操作系统的核心，所以，从以上就可以抽象出操作系统是如何进行管理的——先描述，再组织