Linux 了解硬件体系结构和操作系统内核的管理

目录冯诺依曼体系结构操作系统系统调用接口进程启动进程的两种方式手动启动和代码启动冯诺依曼体系结构冯诺依曼结果就是计算机硬件体系结构硬件主要由五大单元组成我们主要讲这五大单元中的存储其中存储器就是我们的内存硬件角度就是内存条。磁盘也就是硬盘也是一个存储设备但是硬盘是输出设备磁盘上放着我们的文件。而我们的CPU不能直接访问外部设备只能通过内存存储外部设备数据然后 CPU再读取内存。冯诺依曼体系的存在必要性冯诺依曼体系结构有一套自己的速度层级越靠近CPU的硬件运算速度越快。然后CPU会优先访问离自己最近的这样速度就会最快。那么既然离CPU越远越慢为什么不全换成寄存器呢这样不就更快了吗但同时造价也会更高。而全部换成硬盘造价会更便宜但速度就很慢了所以还是按照这样的层级结构既能保证效率够用又能保证价格合适。我们可以看见内存的速度是大于硬盘的所以CPU会去读取内存而不会去读取硬盘 CPU如果直接访问外部设备会降低整机的效率。也就是CPU运算有多快取决于它直接访问谁如果访问硬盘就会慢访问内存就会快访问寄存器就更快了。这也就是为什么我们每次写代码都要把代码加载进内存的原因。那么我们假设通过键盘或者鼠标这类输入设备输入数据就是从输入单元中把数据加载进内存再给CPU.其中怎么知道把输入单元中的哪一块拿给内存呢这个是由操作系统来做的。假如说小明在QQ打了个“你好”发送给小王小王的QQ上显示了“你好”这个流程是怎么样的呢首先是小明要在键盘敲内容也就是把输入单元加载进内存。我们平时再看QQ信息的时候不止看到信息内容本身还会看见发送的时间昵称头像等内容所以小明在发送内容时就还要把发送时间昵称头像这类东西也封装一下这种类似字符串拷贝的东西就是由 CPU来做的。CPU搞完之后再把数据还给内存此刻内存再把数据加载到输出设备这里就是网卡。小王这边接受首先通过输入设备网卡 来接收接受之后加载进内存里通过CPU解封再到输出设备屏幕上显示操作系统操作系统是一款进行软硬件管理的软件。操作系统为了给用户提供一个稳定安全高效的环境。稳定第一台计算机埃尼阿克全靠人来操作人肯定没有系统稳定。安全高效同理。看图前面说了操作系统是一款软硬件管理的软件那么它就可以管理我们的外部设备但是操作系统不能直接访问外部设备而是要通过驱动访问的这是为什么呢故事时刻在一个学校里谁是学生的真正管理者呢是辅导员吗辅导员管理着学生的出勤请假情况补课量化积分等但是真正的管理者却是校长。辅导员是校长这个决策者的执行者。在生活中任何一件事都是由决策和执行两部分的列如我现在在想中午吃什么最后决定了中午吃面然后到了饭点就去吃面了。而真正的管理者是只下决策而执行为辅或者只决策的。学生一学期都不一定能见校长一次却能被校长的一个决策而被进行管理这都要通过辅导员这个执行者。假如最近各大校运会比赛开始了校长想找个子高的学生参加校园会那么他就会让辅导员去收集学生的信息然后他再从这些信息中找到自己想要找的那个人所以管理实际不是对人进行管理而是对人的信息进行管理也就是对数据进行管理。那么假设学校有两万个人校长此时手里有两万条信息为了方便就做了个EXCEL表格把每个人的信息录入然后遍历。这个时候管理数据就变成了管理结构化的数据。这个时候需求变了因为需要不停的对表格进行遍历增删查改两万多条信息却是有点累。于是校长就写了Struct把一个人的信息然后校长就这样写了两万个struct​​​​​这个时候校长为了实现遍历和增删查改的效果于是就把这两万个struct通过链表的方式给串了起来这样赵六想退学就直接遍历链表找到赵六的struct然后把它free掉就可以。假设有新生来了只需要把最后一个节点的next链接我们新生的节点就可以了。总结校长对学生的管理实际上就是对学生信息的管理对学生的管理实际上就是一个建模的过程这个过程就是先描述再组织。先描述就是先描述学生的信息姓名年龄性别什么的再组织就是把这些信息按照一定的结构组织起来比如结构体比如链表。因此先描述再组织可以用到我们生活中任何一种管理上。我们在用c语言写通讯录写五子棋时都会先写一个struct在写c时都会写一个class这些都是先描述然后我们在学数据结构时把struct按照链表双链表二叉树等结果排列起来这就是再组织。而c还有许多容器列如STL容器:listvector,queue,map这些容器可以进行再组织的功能所以c可以单独完成先描述再组织。先描述再组织符合人认识世界的规律语言的发展也是如此C,java等都是面向对象的这是受人认识世界的方式的影响。我们的操作系统就相当于校长是管理者。底层硬件就是学生被管理者。校长不会直接接触学生操作系统也不会直接接触底层硬件。那么操作系统既然是一款软硬件管理的软件它就要管理底层硬件。那么前面说了管理不是管理被管理者而是管理被管理者的信息操作系统需要管理底层硬件的信息这些信息由驱动程序来收集。而操作系统来管理信息就要先描述再组织。它需要先描述底层硬件的信息这些信息又驱动收集然后给操作系统举硬盘为例硬盘的容量转速等信息然后再组织把这些信息用struct组织起来最后各个设备都进行描述然后组织起来最后再把所有的struct通过数据结构的方式排列。前面说了操作系统是为了给用户提供安全高效稳定的环境的。所谓的用户就是开发者和其他用户拿开发者举例开发者如果都用不了操作系统其他人就更不用说了。首先下概论用户是不能直接访问操作系统的。这就好比银行为了银行的安全并不会直接让客户进入银河内部而是办理了窗口客户和银行内部人员通过窗口进行业务交流。同理操作系统不信任用户用户不能直接访问操作系统而用户想要访问操作系统内部的底层硬件啊就要通过访问系统调用接口去访问底层硬件系统调用接口是操作系统写的。总结操作系统管理着底层硬件它通过各种struct模块来管理把所有的模块通过某种数据结构的方式排列而用户想要访问这些底层硬件就只能通过操作系统来访问操作系统不信任用户想访问操作系统只能通过系统调用接口。系统调用接口举例比如我们用printf打印内容直接就会打印在屏幕上屏幕是硬件只有操作系统才能访问硬件而用户想要访问操作系统就一定要通过系统调用接口所以printf一定封装了系统调用。使用系统调用接口需要对系统调用接口有一定了解认识。这就好比我们去了银行不知道怎么办业务这个时候就需要大堂经理来帮助我们。同样的站在操作系统使用者的角度使用者并不会使用系统调用接口因此也需要一个大堂经理来帮助我们这个大堂经理就叫做外壳程序linux里叫shellwindows下叫GUI。列如我们在windows下单击发送信息按钮就把信息打印在屏幕上了。这个实际上就是用户通过GPU这个外壳调用系统接口访问操作系统再通过操作系统访问屏幕。而站在系统开发者角度开发者里面也有小白小白也不会使用系统调用接口那么就有人把系统调用接口写成了函数然后全部封装在一起。开发者想调用系统接口只需要调用对应库里的函数就可以了。列如我们想打印内容在屏幕上就就可以调用c标准库里的printf函数。到目前为止我们的操作系统外面包了一层系统调用接口又包了一层外壳程序这全部包起来就是我们广义上讲的操作系统狭义上的操作系统就是单指操作系统内核不包含系统调用接口和外壳程序我们所谓的Linux内核也就是这个东西。内核包括进程管理内存管理文件管理驱动管理。我们所见到的各种Linux发行版ubuntu,Mageia,centos,Fedora……其内核都是一样的只是把外壳程序和库变了一下而已。