二操作系统(Operator

本篇文章主要介绍计算机体系结构–冯诺依曼系统和操作系统是如何对数据/资源进行管理的这也是我们后面学linux进程的重要基础铺垫。

一冯诺依曼体系

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。

输入设备键盘鼠标摄像头话筒磁盘网卡…

对于没有了解过这一部分知识的同学很难分清楚内存和磁盘的关系与区别

内存和磁盘是计算机中主要的存储部件。

内存是利用了电效应实现了存储一旦电脑断电它存储的数据就会丢失!

数据是要在计算机的体系结构中进行流动的流动过程中进行数据的加工处理。

而计算机对数据进行处理无非就是两种操作一是在整个体结构的设备之间进行数据的拷贝二是CPU对数据进行运算。

而CPU是非常快的所以数据在设备间的拷贝的效率决定了计算机整机的基本效率!

为什么有内存结构?

那有同学就会觉得既然离CPU越近的设备,运行速度越快那为什么又要加一个存储器(内存)呢直接从输入设备–CPU–输出设备那计算机不是非常快吗

所以冯诺依曼的这种体系很巧妙将中央处理器进行复杂的数据处理,运算而离CPU远一点的设备用于存储数据或者接受数据后传给内存做分析。

冯诺依曼系统既有高价格的设备用于处理复杂的数据又有低价格的设备用于存储数据或进行数据交互这使得冯诺依曼体系的计算机可以在价格不高的前提下做到效率比较高!

正是这种能让老百姓买得起的价格并且使用起来比较高效的模式才让电脑等计算机设备变成一种高性价比的东西才让冯诺依曼系统到现在也如此流行!

在硬件数据流动角度在数据层面

2.外设(输入和输出)的数据不是直接给中央处理器的而是先要放入内存中。

首先,程序代码数据然而只要是数据最终都要CPU来处理CPU只能从内存中读取数据所以这些代码和数据要经过和内存的交互处理完程序后会形成可执行程序.exe文件此文件会被存储在外设磁盘中!

所以说程序在运行之前必须先加载到内存中这是冯诺依曼体系结构规定这么做!!

注意磁盘的内容怎样被传到内存内存又怎样和CPU交互在交互中出现问题怎么处理这些工作由操作系统来完成。

通过实际案例来进行理解数据流动的过程(注:目前还没有学习网络,所以网络部分忽略)

很明显在QQ上发送消息时发的不仅仅是消息还有发送时间发消息人的头像等所以在发送消息前从键盘输入的数据要被加载到内存经过CPU处理后推送至输出设备网卡(计算机中和网络打交道的硬件设备)经过网络后推送到收消息的人的输入设备网卡将网卡数据加载到内存后被CPU处理了交给显示器显示收到的消息!

案例2微信发文件与接受文件

与发消息不同发送文件是从自己的磁盘中将文件拷贝一份后加载到内存经过CPU处理后推送到输出设备网卡上要接受文件的人在经过网络后在网卡上收到此文件最终将文件存储至自己的磁盘上。

结论:

以上案例只是想让大家更深一步了解硬件之间的关系并且输入输出设备不止有键盘和显示器还有其他的硬件也能传递信息。

二操作系统(Operator

操作系统是一款软件是计算机启动的第一款软件在我们的手机/电脑开机时加载的就是操作系统。

它是一款进行软硬件资源管理的软件。

广义的认识操作系统的内核操作系统的外壳周边程序(给用户提供使用操作系统的方式)。

现在给大家讲一个小故事:

在公司里有人员管理系统而在学校里有教务系统就是用于管理学生的系统。

假如陶大的吕校长是一个程序员最开始学校只有100人吕校长一个人就可以管理好它们的生活起居和学习运动但是有一天陶大扩招了,现在有5万个学生吕校长一想这样不行我得写一段代码让计算机帮我管理陶大的学生写了一个结构体

struct

}如果李四或者赵六有一门挂科了那么校长就打开代码编译器找到李四和赵六将他们的状态改为挂科!

和校长管理学生一样操作系统也不是直接管理硬件而是管理硬件映射出来的信息和校长创建的结构体类似操作系统也会对各个硬件创建一个结构体结构体中存放硬件的各种信息和健康状态等等再通过链表或者其他数据结构将这些结构体一一链接起来统一管理!

管理这些硬件或学生需要做到

要管理进程得先描述进程得性质内存管理管理得是内存首先要描述内存C/C得结构体正好可实现这功能。

操作系统将软件硬件管理好并不是它的目的它得目的是给用户提供良好的(稳定高效安全得)使用环境而管理只是一种手段!!

再看此图:

操作系统管理底层硬件并不是直接管理的它要通过驱动程序而驱动程序是厂商自定义的。

每一个硬件都有对应的驱动程序来做管理像键盘鼠标U盘等等都有对应的驱动程序然后操作系统再通过这一整套成熟的驱动程序来管理下层的硬件!并且在此基础上衍生出各种软件业务和用户服务!

然而虽然说操作系统是为用户提供服务的但是它并不相信用户计算机不允许用户直接访问底层硬件而是要经过操作系统用户要访问操作系统必须使用系统调用的方式使用操作系统。

因为用户中可能有坏人就像银行一样为你提供服务但是不信任你于是在操作系统和用户之间还有系统调用窗口和shell外壳来阻止群众中的坏人直接获取Linux内核中的各种信息!

系统调用说白了就是操作系统给用户提供了一个又一个的函数用户通过调用函数来获取操作系统内的各种数据然而函数是操作系统内部写的所以你只能看到有限部分的数据!

(1)

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叫做系统调用。

(2)

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更上层用户或者开发者进行二次开发。

但是呢系统调用是有操作系统提供的有些系统调用的接口比较复杂也不适合用户直接操作所以我们在系统调用之上又封装了一个软件层(各种库比如我们常用的C/C标准库)

用户操作接口。

就像在银行存钱取钱时可能要带身份证/户口本等资料。

但是有些老年人连这些最基础的可能都不懂所以银行有提供了专属窗口服务老年人。

为什么要有操作系统

操作系统对下层(手段)进行软硬件管理工作对上层提供良好(高效稳定安全)的运行环境(目的)。