计算机操作系统知识框架,操作系统基础知识

文章来源于Java建设者 ，作者cxuan

首先，操作系统也是一种软件，但是操作系统是一种非常复杂的软件。操作系统提供了几种抽象模型：文件：对 I/O 设备的抽象

虚拟内存：对程序存储器的抽象

进程：对一个正在运行程序的抽象

虚拟机：对整个操作系统的抽象

这些抽象和我们的日常开发息息相关。搞清楚了操作系统是如何抽象的，才能培养我们的抽象性思维和开发思路。

很多问题都和操作系统相关，操作系统是解决这些问题的基础。如果你不学习操作系统，可能会想着从框架层面来解决，那是你了解的还不够深入，当你学习了操作系统后，能够培养你的全局性思维。

学习操作系统我们能够有效的解决并发问题，并发几乎是互联网的重中之重了，这也从侧面说明了学习操作系统的重要性。

学习操作系统的重点不是让你从头制造一个操作系统，而是告诉你「操作系统是如何工作的」，能够让你对计算机底层有所了解，打实你的基础。

相信你一定清楚什么是编程「Data structures + Algorithms = Programming」

操作系统内部会涉及到众多的数据结构和算法描述，能够让你了解算法的基础上，让你编写更优秀的程序。

我认为可以把计算机比作一栋楼

计算机的底层相当于就是楼的根基，计算机应用相当于就是楼的外形，而操作系统就相当于是告诉你大楼的构造原理，编写高质量的软件就相当于是告诉你构建一个稳定的房子。

认识操作系统

在了解操作系统前，你需要先知道一下什么是计算机系统：现代计算机系统由「一个或多个处理器、主存、打印机、键盘、鼠标、显示器、网络接口以及各种输入/输出设备构成的系统」。这些都属于硬件的范畴。我们程序员不会直接和这些硬件打交道，并且每位程序员不可能会掌握所有计算机系统的细节。

所以计算机科学家在硬件的基础之上，安装了一层软件，这层软件能够根据用户输入的指令达到控制硬件的效果，从而满足用户的需求，这样的软件称为 操作系统，它的任务就是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。

上面一个操作系统的简化图，最底层是硬件，硬件包括「芯片、电路板、磁盘、键盘、显示器」等我们上面提到的设备，在硬件之上是软件。大部分计算机有两种运行模式：内核态 和 用户态，软件中最基础的部分是操作系统，它运行在 内核态中。操作系统具有硬件的访问权，可以执行机器能够运行的任何指令。软件的其余部分运行在 用户态 下。

在大概了解到操作系统之后，我们先来认识一下硬件都有哪些

计算机硬件

计算机硬件是计算机的重要组成部分，其中包含了 5 个重要的组成部分：「运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备」。

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。❝

运算器和控制器共同组成了 CPU

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存储器：存储器就是计算机的记忆设备，顾名思义，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。下面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，它主要包括键盘和鼠标。

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，它主要包括显示器、打印机等。

这五部分也是冯诺伊曼的体系结构，它认为计算机必须具有如下功能：

把需要的程序和数据送至计算机中。必须具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力。能够完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力。能够根据需要控制程序走向，并能根据指令控制机器的各部件协调操作。能够按照要求将处理结果输出给用户。

下面是一张 intel 家族产品图，是一个详细的计算机硬件分类，我们在根据图中涉及到硬件进行介绍

总线(Buses)：在整个系统中运行的是称为总线的电气管道的集合，这些总线在组件之间来回传输字节信息。通常总线被设计成传送定长的字节块，也就是 字(word)。字中的字节数(字长)是一个基本的系统参数，各个系统中都不尽相同。现在大部分的字都是 4 个字节(32 位)或者 8 个字节(64 位)。

I/O 设备(I/O Devices)：Input/Output 设备是系统和外部世界的连接。上图中有四类 I/O 设备：用于用户输入的键盘和鼠标，用于用户输出的显示器，一个磁盘驱动用来长时间的保存数据和程序。刚开始的时候，可执行程序就保存在磁盘上。

每个I/O 设备连接 I/O 总线都被称为控制器(controller) 或者是 适配器(Adapter)。控制器和适配器之间的主要区别在于封装方式。控制器是 I/O 设备本身或者系统的主印制板电路(通常称作主板)上的芯片组。而适配器则是一块插在主板插槽上的卡。无论组织形式如何，它们的最终目的都是彼此交换信息。

主存(Main Memory)，主存是一个临时存储设备，而不是永久性存储，磁盘是 永久性存储 的设备。主存既保存程序，又保存处理器执行流程所处理的数据。从物理组成上说，主存是由一系列 DRAM(dynamic random access memory)动态随机存储构成的集合。逻辑上说，内存就是一个线性的字节数组，有它唯一的地址编号，从 0 开始。一般来说，组成程序的每条机器指令都由不同数量的字节构成，C 程序变量相对应的数据项的大小根据类型进行变化。比如，在 Linux 的 x86-64 机器上，short 类型的数据需要 2 个字节，int 和 float 需要 4 个字节，而 long 和 double 需要 8 个字节。

处理器(Processor)，CPU(central processing unit) 或者简单的处理器，是解释(并执行)存储在主存储器中的指令的引擎。处理器的核心大小为一个字的存储设备(或寄存器)，称为程序计数器(PC)。在任何时刻，PC 都指向主存中的某条机器语言指令(即含有该条指令的地址)。

从系统通电开始，直到系统断电，处理器一直在不断地执行程序计数器指向的指令，再更新程序计数器，使其指向下一条指令。处理器根据其指令集体系结构定义的指令模型进行操作。在这个模型中，指令按照严格的顺序执行，执行一条指令涉及执行一系列的步骤。处理器从程序计数器指向的内存中读取指令，解释指令中的位，执行该指令指示的一些简单操作，然后更新程序计数器以指向下一条指令。指令与指令之间可能连续，可能不连续(比如 jmp 指令就不会顺序读取)

下面是 CPU 可能执行简单操作的几个步骤：

加载(Load)：从主存中拷贝一个字节或者一个字到内存中，覆盖寄存器先前的内容

存储(Store)：将寄存器中的字节或字复制到主存储器中的某个位置，从而覆盖该位置的先前内容

操作(Operate)：把两个寄存器的内容复制到 ALU(Arithmetic logic unit)。把两个字进行算术运算，并把结果存储在寄存器中，重写寄存器先前的内容。❝

算术逻辑单元(ALU)是对数字二进制数执行算术和按位运算的组合数字电子电路。

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跳转(jump)：从指令中抽取一个字，把这个字复制到程序计数器(PC) 中，覆盖原来的值