【Linux】-- 初识操作系统（一）

2023-02-07 71

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简介： 【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。