理解操作系统

一、冯诺依曼体系结构

冯诺依曼体系结构描述的是 计算机硬件结构 ，相当于计算机的骨架。它大体可以分为4部分：

• 输入设备：键盘、鼠标、话筒、网卡、摄像头、磁盘…
• 输出设备：显示器、音响、网卡、打印机、磁盘…
• 存储器：即内存。
• 中央处理器(CPU)：由运算器和控制器组成，是用来做数据处理的。

要理解这个结构，我们需要就盯着数据流动这条线来分析，很容易发现CPU是只与存储器打交道，而不与输入输出设备直接接触，这里存储器起到一个交通枢纽的作用。那么为什么会有这种结构呢，为什么不是“输入”—>“CPU处理”—>“输出”呢？

其实是因为CPU的运行速度是非常快的，但是输入输出设备对数据的处理速度相比CPU慢了很多很多，根据“短板效应”，我们可以知道输入输出设备会拉慢整个系统的速度，而中间加入存储器的调节就会使系统的执行效率大大的提升，也是因为有了存储器才使得现在的计算机变得便宜，让大部分人都用得起计算机。

设备之间数据的如何流动？可以想象一下，使用QQ发给朋友信息，那么数据传输过程如下：

二、操作系统的概念

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）

软硬件层状体系结构：

操作系统 是一个对软硬件进行管理的软件

如上图所示，操作系统的目的：为用户程序（应⽤程序）提供⼀个良好的执⾏环境。

实现的手段：与硬件交互，管理所有的软硬件资源。

操作系统充当管理者的角色，驱动程序充当执行者的角色，底层硬件则是充当被管理者的角色。

• 在访问操作系统时必须使用系统调用（即系统提供的函数）。
• 如果一个程序访问了底层硬件，那么它必须贯穿整个软硬件体系结构。

三、如何理解“管理”？

在生活中管理者进行管理是不用与被管理者见面的，比如校长对学生进行管理并不用与学生接触，那么是如何管理的呢？其实校长只需要收集学生 数据 ，转而对这些数据进行管理即可。比如校长看了这个学生信息发现违纪比较多，就通知导员将其开除，然后将该学生数据删除不再管理，同理，如果发现某个学生成绩比较好，就通知导员给予奖学金，并进行记录。

所以校长实际上是 对数据进行管理 ，校长对数据的某个操作进而映射到导员去执行对应的行为。

以上其实是模拟了一个操作系统的管理过程，对应关系如下：

• 校长（管理者）：操作系统
• 导员（执行者）：驱动程序
• 学生（被管理者）：底层硬件

所以可以把操作系统的管理总结为六个字： “先描述，再组织”。

基于上面一些原因比如C++有了类，用来描述被管理者。又如数据结构，用来把对象组织起来，进而方便管理。

四、系统调用和库调用的概念

根据上文我们知道操作系统是用来服务于用户的，但其实操作系统是并不相信用户的，不能让用户想干什么就干什么。

可以把操作系统比作现实生活中的一个银行系统，银行既要服务于你又不能相信，为保证自己的系统不被破坏，所以银行给用户提供了一些窗口，用于服务用户，而不是直接让用户进入到银行内部。

同理操作系统就有了 系统调用 ，其实就是一个 函数 ，只不过是系统提供的。

而对于 库调用 ，就是在 系统调用基础上再封装一层 ，从而把那些比较常用的复杂操作在使用层变得简单化，使其更便捷。

举个例子：一个老大爷去银行办一些事情，但是他什么都不懂，那些窗口用来干什么，要如何操作它什么也不知道。那么这时大堂经理或者服务员就找到他，询问老大爷要做什么，从而帮助他完成这件事情。那么通过大堂经理或者服务员来帮助完成这个事情，相当于使用了库调用。