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这不是一篇教你如何创建一个操作系统的文章,相反,这是一篇指导性文章,教你从几个方面来理解操作系统。首先你需要知道你为什么要看这篇文章以及为什么要学习操作系统。
搞清楚几个问题首先你要搞明白你学习操作系统的目的是什么?操作系统的重要性如何?学习操作系统会给我带来什么?下面我会从这几个方面为你回答下。
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
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: