操作系统初步认识

冯诺依曼体系结构
操作系统
1. 核心功能
2. 操作系统管理硬件
3. 系统调用和库函数

1.冯诺依曼体系结构

为什么在学习操作系统前，要学习冯诺依曼体系结构，这是什么东西？

冯·诺依曼体系结构（Von Neumann Architecture）是计算机系统的经典结构模型，由约翰·冯·诺依曼在1945年提出。
这种体系结构是现代大多数计算机系统的基础。

简单点说，冯诺依曼体系结构决定了计算机硬件的结构。

存储程序的概念：程序和数据都存储在计算机的内存中，计算机通过读取内存中的指令逐条执行程序。这样，计算机不仅可以执行数据操作，还可以操作指令本身。

意味着现在你所用的计算机里的内存，不仅用于存放数据，还用于存放程序代码。

五大基本部件：

控制器：负责读取、解释和执行指令，控制计算机的操作流程。
运算器（算术逻辑单元，ALU）：负责执行基本的算术和逻辑操作。
存储器：用于存储数据和指令，常包括随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。

这里的存储器就是内存
输入设备：将外部数据输入到计算机中，如键盘、鼠标等。
输出设备：将计算结果输出到外部，如显示器、打印机等。

单一存储空间：程序和数据共享同一个存储空间。这种结构导致了所谓的“冯·诺依曼瓶颈”，即处理器的速度被存储器的访问速度所限制。

顺序执行：程序按照存储器中的顺序逐条执行指令。控制器依次读取每条指令并执行，除非遇到跳转指令。

冯诺依曼体系结构图示：

冯诺依曼体系结构

**中央处理单元（Central Processing Unit，简称CPU）**是计算机的核心部件，负责执行指令并处理数据。在冯·诺依曼体系结构中，CPU通常由两个主要部分组成：

控制单元（Control Unit, CU）：
- 控制单元负责解释和执行指令。它从内存中提取指令，并根据这些指令控制CPU的其他部分和整个系统的操作。
- 控制单元还管理数据流，并决定如何将数据在CPU和其他部件之间传输。它协调输入、输出、内存和其他组件的交互。
算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit, ALU）：
- ALU是CPU中负责执行所有算术运算（如加法、减法等）和逻辑运算（如与、或、非等）的部分。
- 当控制单元遇到需要进行计算的指令时，它将数据传送到ALU，ALU完成计算后将结果返回。

CPU的其他重要组成部分

寄存器（Registers）：CPU中的小型高速存储单元，用于临时存储指令、数据和地址等。寄存器可以极快地存取数据，因此在执行过程中发挥了重要作用。
缓存（Cache）：大多数现代CPU还集成了缓存，这是比主存（RAM）更快的存储器，用于存储频繁访问的数据或指令，减少CPU等待内存读取的时间。
时钟（Clock）：CPU依赖时钟脉冲来同步指令执行和数据流。时钟速度（时钟频率）通常用GHz表示，它决定了CPU的运算速度。

从图中可以发现：

不考虑缓存的情况下，CPU只能对内存进行读写，不能访问外设
外设要输入或输出数据，只能写入内存或从内存中读取

简单来说，所有的设备只能和内存打交道。

2.操作系统

计算机由软件和硬件组成，冯诺依曼体系结构为操作系统提供了硬件基础，软件方面则是依靠操作系统来完成。

操作系统（Operating System, OS）是计算机系统中的核心软件，负责管理软硬件资源，并为用户和应用程序提供接口和服务。
操作系统在计算机中起到桥梁作用，连接用户、应用程序和硬件，确保系统能够高效、安全地运行。

本质上，操作系统也是软件，它的工作就是管理软硬件资源，类似于QQ的工作就是聊天

2.1核心功能

资源管理
- 处理器管理：操作系统通过调度算法（如时间片轮转、优先级调度等）分配CPU资源给不同的进程，确保多任务运行的流畅。
- 内存管理：操作系统负责分配和回收内存资源，管理物理内存和虚拟内存，以确保应用程序之间的数据隔离并防止内存溢出。
- 存储管理：操作系统管理硬盘等存储设备，负责文件系统的组织、文件的读写权限控制，以及数据的持久化存储。
进程管理
- 操作系统将每个运行的程序视为一个进程，并为每个进程分配独立的资源。进程管理包括进程的创建、调度、同步和终止。
- 操作系统使用进程控制块（PCB）来维护进程的状态和上下文信息，从而确保任务可以在中断后恢复。
文件管理
- 操作系统提供文件系统，使用户和应用程序能够在存储设备上创建、读取、写入和删除文件。文件系统还提供文件权限管理，以控制不同用户和进程的文件访问权限。
设备管理
- 操作系统负责管理输入输出设备（如键盘、鼠标、显示器、打印机等），并通过设备驱动程序（Device Driver）实现设备与系统的通信。
- 操作系统使用中断机制处理设备请求，使得CPU能够高效地响应设备输入输出。

计算机系统整体结构图示：

计算机系统整体结构

2.2操作系统管理硬件

操作系统不直接控制硬件

原因：如果操作系统自己来完成键盘的读取操作，那么只要你的键盘读取方式进行了改变，操作系统的内核源代码就需要进行重新编译，这对操作系统来说维护成本太高了。
为了方便控制硬件，在硬件的上面添加了驱动程序，通过驱动程序来驱动硬件，即驱动程序是专门为特定硬件编写的，负责直接控制设备，例如发送数据到设备、接收设备反馈等。因此可以将硬件和驱动看作是一体的。
操作系统管理硬件的方法：先描述再组织
将硬件描述出来，硬件抽象层（Hardware Abstraction Layer，HAL）是一种在操作系统和驱动之间的中间层，用于将硬件的具体实现细节封装起来，向上层提供一个统一的接口，进而方便去组织和管理硬件。

2.3系统调用和库函数

**系统调用（System Call）**是操作系统提供的一组接口，允许应用程序请求操作系统内核执行特定的低级操作，例如文件管理、内存分配、进程控制、网络通信等。

为什么会存在系统调用？

操作系统由较高的权限，如果直接不封装起来，操作系统内部可能就会受到破坏。
但是有一些软件需要操作硬件或者管理资源，那么操作系统就需要将相关的功能封装成接口，调用接口就不再有对操作系统内部破坏的可能。

虽然操作系统已经提供了系统调用的接口，但是对于用户的要求还是相当高的，继而有了二次封装，形成了库

**库函数（Library Function）**是一种由编程语言或操作系统提供的现成的函数集合，供开发者在程序中调用以实现常见的操作，而无需手动编写相关代码。这些库函数封装了许多基础功能，比如数学运算、字符串处理、输入输出、内存管理等，从而提高了代码的重用性和开发效率。

在 C 语言中，使用库函数时，需要先引入相应的头文件。例如，要使用输入输出相关的库函数，可以引入 stdio.h 头文件：

#include<stdio.h>int main()
{printf("hello world!\n");		// 使用库函数 printf 输出字符串return 0;
}

在这个例子中，printf 是一个库函数，用于将文本输出到控制台。通过引入 stdio.h 头文件，程序就可以调用 printf 函数，而无需了解其底层实现细节。

rld!\n"); // 使用库函数 printf 输出字符串
return 0;
}


在这个例子中，`printf` 是一个库函数，用于将文本输出到控制台。通过引入 `stdio.h` 头文件，程序就可以调用 `printf` 函数，而无需了解其底层实现细节。

操作系统初步认识