初识操作系统

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⛺️Per aspera ad astra.

1. 冯诺依曼体系结构

我们常见的计算机，都遵循冯诺依曼体系结构

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• 输入设备： 键盘、鼠标、网卡、磁盘、话筒…
• 输出设备： 显示器、磁盘、网卡、打印机…
• 存储器： 内存，和磁盘外存相对应

所有的数据流转都遵循以下原则：

CPU在数据层面，不和外设直接交互，只能和存储器（即内存）交互！！！

举个例子：一个二进制文件运行在显示器上显示的过程：

二进制可执行文件–>磁盘–>存储器–>CPU–>存储器–>显示器

任何程序要运行，必须从磁盘加载到内存之后，经过CPU处理才能运行！！！——这是冯诺依曼体系结构决定的！！！

为什么要设计存储器？

外设IO处理效率极低，CPU处理效率极高，二者运行效率不是一个量级的，内存作为链接二者的巨大缓存

如果跳过内存：

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根据木桶效应，整个系统效率取决于效率低的模块，而这样设计，不合理

再来看一下存储金字塔：

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为什么不投入设计CPU呢？对于上层寄存器和三级缓存，制造成本极高，造假昂贵，而对于内存、硬盘价格就会越来越便宜，所以，冯诺依曼体系结构是个伟大的发明，让普通人也能用上计算机。

我们再举个例子理解一下冯诺依曼体系结构的数据流向：

从登录上qq开始和某位朋友聊天开始，数据的流动过程：假设发送“hehe”，此时不考虑网络层

1. 键盘键入消息“hehe”，经过输入设备输入到存储器
2. 存储器将消息“hehe”传输到CPU
3. CPU经过处理，解密翻译，重新输出到存储器内
4. 存储器将处理过的数据输出到网卡

此时，发送消息完成，经过网络层到达某位朋友的网卡

1. 网卡接收到“hehe”数据，输入到存储器中
2. 存储器将消息“hehe”传输到CPU
3. CPU经过处理，解密翻译，重新输出到存储器内
4. 存储器将处理过的数据输出到显示器上

2. 操作系统相关概念

广义上来讲，OS包括外壳程序和内核两部分

狭义上来讲，OS一般只谈内核

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这样设计的目的是：

• 对上层，给用户程序提供稳定、高效、安全的运行环境
• 对下层，能稳定、高效、安全地管理硬件设备

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所以，操作系统的核心是管理，管理好上层和下层，围绕先描述，再组织的核心思想：

• 对上层：
  • 用户/应用不会直接操作OS的内部模块，二通过OS提供的简化接口来提需求：比如开发者在代码里调用lib的“文件读取函数”，这些操作会通过“系统调用接口”传给OS
  • 简单来说：OS把进程、内存分配等复杂逻辑藏起来，给上层用户/应用提供简单易懂的操作入口
• 对下层：
  • 不同硬件的工作逻辑差异很大，OS不直接操作硬件，而是通过调用对应的驱动程序来控制硬件：比如要保存文档到硬盘，OS的文件管理模块不会直接和硬盘交互，而是调用“硬盘驱动”，让驱动按照硬盘的设计完成数据写入
  • 简单来说：OS把“不同硬件的复杂操作”抽象成统一的管理逻辑，向下统一管理各种硬件

根据上述：OS是中间连接层

• 向上：通过 “接口封装”，把复杂的系统功能简化成用户 / 应用能轻松用的操作
• 向下：通过 “硬件抽象”，把多样的硬件操作统一成系统能管控的资源

最终实现的效果是：用户不用懂 OS 内部逻辑，硬件不用管上层需求，OS 靠 “上下管理” 让整个系统有序运行