01 - Linux系统概要（再论计算机系统）

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1. 再论计算机系统

计算机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

1.1 问题

思考：

• 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 是计算机系统不可或缺的部分

1.2 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（程序/软件）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进行反馈（也可以写入外存）

1.3 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

1.4 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

1.5 当代计算机系统架构

1.6 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者多个进程构成
• 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元
• 程序是“死”的，进程是“活”的
  • 程序的本质只是二进制数据，不加载执行就没有任何价值
  • 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

1.7 程序 VS 进程

1.8 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：应用开发者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 某软件层（驱动程序）接口 以统一方式访问外设

1.9 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

1.9.1 Linux设备驱动模型

• 抽象各种外设的共性，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
• 对于同一类型的设备，可以通过统一接口进行访问

OS定义的规范：驱动程序必须实现的函数

1.9.2 存在的问题

设备驱动程序仍然可能同时被不同进程使用，设备驱动程序 并非唯一 访问外设的方式。

问题：

• 如何限制进程必须按照规则通过驱动程序访问外部设备？

1.9.3 Linux系统的工作模式

• 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，……
  • 绝大多数设备驱动程序执行于内核模式
  • 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。

1.9.4 工作模式的切换：系统调用（System Call）

• 应用程序与操作系统内核直接的接口（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（应用程序如何向操作系统发送请求）

问题：

• 为什么需要系统调用？
  • 系统资源有限，需要统一有序的调配
  • 多个进程可能同时访问同一资源，进而产生冲突
  • 一些特定的功能必须由操作系统内核完成（如：精确延时）
  • ……
• 系统调用的本质：
  • 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）
    （中断==>系统调用==>工作模式的切换==>系统规则的强制执行==>应用程序的规范运行==>进而得到了一个软硬件协同工作的计算机系统）
  • 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

1.9.5 Linux 系统编程