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前言

       这是本专栏【学点操作系统】的第一篇文章。本文就来分享一波作者对操作系统的初步认识。

       笔者水平有限，难免存在纰漏，所以下文有些内容可能不太严谨和准确，欢迎指正交流。

冯诺依曼体系结构

       我们常见的计算机（如笔记本）和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，这是一种计算机硬件体系结构。

       这里的存储器指的是什么呢？——内存。

       而内存具有一个特点：带电存储，掉电易失、

       与内存相对的就是外存，它具有永久性存储能力，常见设备有硬盘等，外存不是这里指的存储器，而是外设的一种，属于输入输出设备。

       截至目前，我们所认识的计算机，都是又一个个的硬件组件组成。

       输入单元：包括键盘，鼠标，扫描仪，手写板等

       中央处理器(CPU，又叫芯片)：含有运算器和控制器以及其他器件

       输出单元：显示器，打印机等

       输入输出单元：外存和网卡

       cpu其实很“笨”，只能被动地接受别人的指令和数据——执行别人的指令，计算别人的数据。要做到这些需要cpu先能够认识别人的指令，那么它是如何识别的呢？就像是人类的语言体系一样，cpu它有自己对应的一套指令集。我们写的代码通过编译链接得到的二进制可执行程序为什么能被cpu识别呢？本质上是遍历链接过程把高级语言翻译成了cpu能够识别的指令，这样就能让cpu运行我们设计好的程序了。

       关于冯诺依曼体系结构，需要强调的是：这里不考虑缓存情况，CPU能且只能对内存进行读写，不能直接访问外设(输入或输出设备)，目的是提高整机效率。

       外设(输入或输出设备)要输入或者输出数据，也只能从内存中读取或者写入内存。

       一句话，所有设备都只能直接和内存打交道。

       而内存一开始就有数据么？没有，一般是从输入设备传入的。那么内存是等到cpu管它要数据的时候才去输入设备取么？不是的，这样的话内存有啥意义啊，不还是相当于让cpu直接和外设打交道嘛，所以内存一般都会预先载入数据，就比如开机时预先载入了操作系统到内存。这样看来，内存其实是一块大大的缓存，用来协调cpu和外设速度不匹配的问题。内存最常打交道的还是硬盘。

       不过有个问题：对内存的管理工作又是谁在做呢？我们提到的冯诺依曼体系结构是计算机硬件层面的组织结构，而对硬件的管理工作一般交给软件去做，就比如操作系统帮我们做决策。

       通过上述内容我们或许就能解答这个问题了：程序要运行为什么必须先加载到内存？

       因为cpu要访问我的程序数据，执行我的代码指令，就必须到内存中去取，而我的程序运行前一直存放在硬盘中，需要先将程序内容从硬盘加载到内存中，然后才能让cpu去访问，由于cpu与硬盘都只能和内存打交道，所以必须让内存作为“数据中转站”。

       对冯诺依曼的理解，不能停留在概念上，要深入到对软件数据流理解上，我们试着来解释一下，从我登录上qq和某位朋友聊天开始，数据的流动过程如何。

       从我打开窗口，开始给他发消息，到他收到并看见消息之后的数据流动过程。

       如果是在qq上发送文件呢？

初识操作系统

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)，它是一个进行软硬件资源管理的软件。

       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）

       为什么操作系统要管理软硬件呢？

       操作系统对下通过合理地管理软硬件资源（手段）对上来为用户提供良好的（稳定的、高效的，安全的）执行环境（目的）。

理解管理

       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。

       如何理解 “管理”？

       比如在大学里，大学生的就近管理者是辅导员，但是说实话大部分学生一学年下来都没见过辅导员，那他又是如何管理大学生的呢？

       对于管理者要建立这样的理解：管理者不需要和被管理者直接交互，依旧能管理好被管理对象。

       所以说这是怎么做到的呢？

       一般与大学生直接交互的都是各班班干或学生会，他们可不算是管理者，真正的管理者需要对重大事宜有决策的能力。对于管理者而言，他们的任务便是审时度势，做决策和做执行。而做决策是需要一定依据的，而依据来源于什么？来源于管理者所获取的数据。

       虽然大学生不直接与辅导员打交道，但是他们的所有数据早就被辅导员拿到了，而且数据还在一直更新。辅导员的一切决策都是基于手中的数据和学院政策与规定的，比如看哪些学生绩点太低，需要push一下这些学生学习。

       管理者对于被管理者的管理，在本质上其实是对于被管理者的数据进行管理。

       说了一大堆，可还是不知道所谓的数据是从哪来的，管理者不直接和被管理者交互又该如何拿到数据呢？而且被管理者的数据是持续更新的，管理者又该如何一直拿到更新的数据呢？

       所以说，在管理者和被管理者之间应当还有一个中间层——执行者。

       管理者负责根据上报的数据做决策，执行者负责两个任务：一是和被管理者接触以拿到对应数据，二是执行管理者分派的指令。

       以上所述其实都能适用于操作系统和硬件，它们之间也有一个中间层——驱动程序。

       我们接着聊，管理者拿到数据后该如何操作和管理呢？就比如辅导员拿到学生的数据，直接看的话会发现杂乱无章，不过其实学生的信息种类是一样的，就像姓名、性别、电话、家庭住址、成绩等等，可以把信息高度提炼出来，抽象为一个struct结构体，再把学生数据填充到一个个结构体中来进行管理。

       然而要管理的学生数量是在有点大，为了便于管理，可以建议辅导员建立链表，这样一来，原本对学生数据做管理就变成了对链表做管理。

       这实际上是一个对被管理对象进行建模的过程，重点在于管理者要做到“先描述，再组织”，也就是先根据被管理者的数据进行概括和抽象，再对这一抽象用数据结构进行组织，因此对于数据的管理也就变成了对于数据结构的管理，这就是我们操作系统的管理手段。

小结一下

       管理的本质是对数据做管理，管理的方法是“先描述，再组织”。

       计算机管理硬件的方法：

       1.描述起来，用struct结构体或其他（和语言有关）

       2.组织起来，用链表或其他（和数据结构有关）

理解接口

       在现实生活中，为什么银行不让我进入它们的仓库或者用他们的电脑，反而柜台都用厚厚的玻璃围起来只留下一个小口来办理业务？因为银行不相信任何人，即使我确实没有坏心思也不会准许我，若要一一甄别来者是否图谋不轨的代价太大了，于是乎不管你是谁都不允许进入柜台以内（除了银行相关工作人员）。

       你想啊，要是银行真的傻傻暴露自己的仓库和电脑的话，就算你是个好人，但保不准下一秒就有别人强制非法地搞破坏，那银行就毫无抵抗之力了。

       总的来说就是银行不相信任何人，而且自己非常容易受到伤害，所以它要将自己保护起来。那好，干脆直接把银行里三层外三层的设防，直接与外界隔绝，这样不就安全了嘛。但是这样银行就失去了其存在的意义了，银行本来就是为人们提供存取等服务来满足需求的，要是全封闭起来了还怎么提供？

       遇到这种情况就可以取个折中的法子：用玻璃围住柜台而只流出小口来提供服务，既提供了服务又保证了安全。

       操作系统也是如此。在开发角度，操作系统对外会表现为一个较为封闭的整体，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，叫做系统调用接口。

       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，也就是用户比较难直接用，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，就很有利于上层用户或开发者进行二次开发。所谓的用户操作接口就是添加再次封装的中间层，用来方便上层用户使用的。

计算机软硬件体系结构

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