《Linux系统编程训练营》1_Linux系统概要

再论计算机系统

• 计算器系统由”躯体“和”灵魂“两部分组成

  • ”躯体“ ： 构成计算机系统的电子设备（硬件）
  • ”灵魂“ ：指挥 ”躯体“ 完成 ”动作“ 的指令序列 （软件）
• ”躯体“ 核心 ：中央处理器 （CPU）
• ”灵魂“ 核心 ：操作系统（OS）

计算机系统的诞生是为了执行数据处理（计算）任务。那么，如何获取计算任务，并反馈任务执行结果？

数据输入与输出是计算机系统不可获取的部分

计算任务执行流程

• 通过交互设备或网络向计算机系统发起请求
• 根据请求将任务指令加载进入内存
• CPU 从内存中取指令，并逐条执行
• 计算任务的最终结果暂存入内存
• 内存数据通过交互设备或网络设备进行反馈

操作系统与进程概要

• 什么是程序？

  • 程序的本质是指令和数据的集合

    • 指令：指示 CPU 执行动作的命令
    • 数据：CPU 执行动作的操作目标

• 程序的分类

  • 应用程序：用户可直接使用，为用户提供直接帮助的程序
  • 程序中间件：多数应用程序的通用功能，用于辅助应用程序的运行
  • 操作系统：直接操作硬件设备，并为应用程序与程序中间件提供运行环境

当代计算机系统架构图

进程-程序的执行

• 通常情况下，程序在操作系统上以进程为单位运行
• 每个程序运行后由一个或多个进程构成
• 进程是操作系统任务的基本单元，也是系统资源的基本分配单位

• 程序是”死“的，进程是”活“的

  • 程序的本质只是二进制数据，不加载执行没有任何价值
  • 进程是计算机系统对程序的一次加载执行，即：执行计算任务的过程

程序 VS 进程

深入浅出驱动程序

应用程序与外部设备

• 多数情况下，应用程序需要借助外部设备才能完成计算任务
• 外部设备：除 CPU 与内存之外的其它计算机硬件（如：硬盘，网卡，显卡）

应用程序设备访问

• 直接访问

  • 开发成本高：应用程序必须熟悉各类外设的硬件特性
  • 开发周期长：业务逻辑 + 设备逻辑
  • 应用场景难：其它应用程序可能同时访问外设

• 间接访问

  • 应用程序通过软件层（驱动程序）接口以统一方式访问外设

设备驱动程序

• 设备驱动程序是外设访问接口，对应用程序提供统一的外设访问方式

Linux 设备驱动模型

• 抽象各种外设的特性，简化设备驱动开发方式
• 设备类型：字符设备，块设备，网络设备，等
• 对于统一类型的设备，可以通过统一接口进行访问

Linux 系统工作模式

Linux 设备驱动模型

存在问题

设备驱动程序并非唯一访问外设的方式

如何限制进程必须按照规则通过驱动程序访问外部设备？

Linux 系统工作模式

内核职责：以统一的方式有序的分配硬件资源，保证用户任务按照期望的方式执行。

• 用户模式 （User Mode）

  • 执行应用程序私有代码，受限制的访问内存，无法直接访问外部设备

• 内核模式 （Kernel Mode）

  • 执行内核代码，可访问所有硬件资源，可立即暂停进程的执行（进程管理）
  • 绝大多数设备驱动程序执行于内核模式

工作模式与系统调用

Linux 系统的工作模式：系统调用 （System Call）

• 应用程序与操作系统内核的直接接口（表现形式为函数）
• 系统调用决定了应用程序如何与内核打交道

• 为什么需要系统调用

  • 系统资源有限，需要统一有序的调度
  • 多个进程可能访问同一资源，进而产生冲突
  • 一些特定的功能必须有操作系统内核完成（如：精确延时）
  • 。。。

• 进程系统调用后，由用户模式切换到内核模式（执行内核代码）
• 工作模式的转变通常由中断触发（不同于普通函数调用）
• 用户进程通过系统调用请求内核完成资源分配，硬件访问等操作
• 所有进程请求集中到内核，内核可统一调度处理，协调进程的执行

Linux 系统编程概要

Linux 系统的工作模式

计算机系统缩影

Linux 系统编程

涉及的内容