Linux学习：计算机和操作系统的基础知识

　　在正式开始学习 Linux 操作系统之前，有必要先回顾/学习一下计算机和操作系统的基本知识，为我们在后续的学习中铺路搭桥，在了解计算机一些基础原理的条件下再去进行学习，理解应该会更透彻一些。我会从一个程序的简单构成开始，逐步介绍我对计算机工作原理的一些理解，希望能够给大家做一个参考。由于中间涉及的知识很多，有些内容我没有进行深究，存在许多漏洞，因此仅供参考。

　　1.程序的构成

　　程序是由什么构成的？简单说来，这里有一个公式：程序 = 数据 + 指令。这是程序员再熟悉不过的了，数据自不用多说，指令就是告诉程序，怎样操作目标数据，这个“操作”不仅仅是在数据之间进行简单的运算，而是包含了操作这些数据的一系列行为的集合，比如做两个数字的加法运算，除了本身的加法这一指令之外，我们还需告诉CPU从哪里读取目标数据，以及完成加法操作后将数据放到何处等。

　　计算机的底层是二进制数据，因此不管是指令还是数据，最终都会以二进制的形式保存。对于CPU，怎么区分我们传入的二进制代码是数据还是指令呢？这就需要不同的线路将数据和指令进行分离。

• 控制（指令）总线：用来向CPU传输指令
• 数据总线：用来向CPU传输数据

　　2.CPU的简单理解

　　一个CPU的核心部件包括三个：运算器，控制器和寄存器。

　　运算器是执行运算操作的地方，它会接收数据的输入，在内部计算完成之后将数据输出。

　　光有运算器还是不够的，由于我们的指令和数据都是保存在内存中，运算器需要知道在内存的哪个地方读取数据，哪个地方读取指令，以及在计算完成之后将数据放到哪里等。这些信息就是由控制器提供的。

　　寄存器是做什么的？寄存器也叫暂存器，顾名思义，就是暂时保存数据的地方。寄存器位于CPU的内部，用以保存等待处理或者处理过的数据。为什么需要寄存器？比如我们做一个四则运算，每次运算之后的结果应该保存在哪里？内存吗？如果将每步运算结果保存在内存中，无疑是加大了CPU的开销，因为要在每步计算完成之后将其放入内存中，然后再读取出来，再输入到运算器进行计算……这很麻烦，开销很大，并且浪费了CPU宝贵的性能。寄存器的作用就是将数据暂时存放在CPU的内部，那么CPU在访问这些数据的时候，效率将会得到极大的提高（就近原则）。

　　3.中断机制（Interrupt）

　　计算机有很多I/O设备，比如键盘，鼠标，，光驱，磁盘，硬盘等。如果我们敲击了键盘，CPU怎么知道我们操作的是键盘而不是鼠标或者光驱呢？我们可以将敲击键盘这个行为当做一个事件，这个事件是偶发的，CPU如果想侦测到这个事件，有两个方式可以选择：

• 轮询机制（Poll）：CPU比较勤快，每隔一段时间就去看看，有没有发生这个事件，如果发生了，就执行某个操作，如果没有发生时间，则不做任何处理。
• 中断机制（Interrupt）：CPU比较懒，并不想总是去查看这些事件有没有发生，而是找另一个人帮忙看着，如果发生了事件，就通知CPU，CPU再去做相应处理。

　　和CPU一样，我们都非常勤（lan）快（duo），喜欢轻松又有保障的活。对于轮询机制，有一个问题：事件是有随机性的，有可能CPU轮询了一天，用户并没有做出任何操作，那不是亏大发了吗。所以我们肯定会选择中断机制啦，事实上CPU采用的也正是中断机制。

　　4.中断控制器

　　上面说了CPU的中断机制。那么问题来了，CPU又怎么知道是鼠标还是键盘上产生了事件？

　　这时候中断控制器就登场了。中断控制器和CPU的针脚相连，如果把中断控制器比做蜘蛛，它将通过周围遍布的蛛网和计算机上的I/O设备连接，如果某个I/O设备上产生了一个事件，就会发生电信号的变化，这个变化通过蛛网传给中断控制器，控制器也就知道是哪一个设备发生了响应，进而将讯息传递给CPU。

　　5.南桥和北桥

　　对于计算机中的数据处理，有高速低速之分，或者高频和低频之分。南桥和北桥就是分别用来传输这两种类型的数据，北桥在物理上距离CPU较进，用来处理高速高频的数据。大多数的I/O设备都在南桥上，这些设备经过南桥汇总后，通过线路连接传到北桥，再由北桥传给CPU。

　　 举例：一个网页同时给一百万个用户访问，网页文件存放在服务器的硬盘中，服务器的每次响应都需要从硬盘中读取这个网页，由于硬盘连接在南桥，读取速度和频率较慢，这会产生严重的服务器延迟（比如一个硬盘最高一次只能进行10万次的数据输出，那么剩下的九十万用户就得等着），这是非常搞糟的体验。因此，现在的服务器很多都采用了固态硬盘，并将硬盘直接连接在北桥上，以获取更高的读取性能。

　　6.主频和缓存

 　　主频可以理解为CPU的计算能力，主频越大，CPU在单位时间的计算能力越强。CPU的频率可以达到1GHZ，而内存的读取速度远远低于CPU的频率。给予木桶原理，即使CPU的速度再高，内存的读取效率跟不上，计算机的整体性能也难以提高。为此我们可以造更快的内存，但是这种方式造价极高。于是出现了缓存技术，缓存技术是在速度和造价之间的择中原则。

　　速度越快的部件，造价越高。因此最快的核心部分，我们只要一小块，然后在其外围放性能稍低（相对于核心）造价也稍低的设备，这就是缓存。CPU有一级缓存，二级缓存...缓存在CPU和内存之间起到了承上启下的作用。

　　缓存的工作，需要遵循程序的局部性原理，程序的局部性原理分为时间局部性和空间局部性。

• 时间局部性：刚刚访问的数据可能还会被访问，那么将该数据需要被缓存。
• 空间局部性：如果访问一个数据，那么离这个数据非常近的数据，也应该访问的比较快。因此在访问一个数据的时候，把其周围的数据也一并载入进来，这样就提高了其周围数据的访问速度。

　　程序的局部性原理，不仅应用在CPU的工作上，也用在码农的编码过程中，运用时间局部性和空间局部性，可以显著提高程序的运行效率。

　　举例：

• Javascript中访问内层变量比访问全局变量快得多，因此我们在编码的过程中尽量少的依赖全局变量，可以提高运行的效率。（克制使用全局变量的好处不仅这一处，这里简单的举例说明）。
• for循环中缓存变量，操作数据库的时候缓存字段等。

　　7.机器码，汇编，高级语言

　　我们知道所有程序必须要编译机器码（二进制）才能被计算机识别和执行，我们也知道汇编是对机器码的抽象，让我们不用直面枯燥难懂的机器码，而使用易于人类的语言进行编程。汇编语言也叫作微码，是CPU厂商为我们暴露出来，通过微码我们可以进行针对CPU的编程。需要注意的是，不同的CPU架构不同，对于同一操作，其暴露出的微码也不尽相同。因此针对不同的CPU，我们需要分别对他们进行编程。尽管有些许蛋疼，但总比使用机器码编程好太多了。

　　高级语言是对汇编语言更高的抽象，结合一些额外的机制，来弥合CPU之间的不同。然后暴露出公共的API程序员调用，尽管对于这份API，其在不同的平台下可能会进行不同的实现，但是对于程序员，我们只需调用这个API，就可以实现平台的兼容，而我们自己再也不用考虑硬件的差异性了。

　　8.CPU的架构

　　下面是一些常见的架构：　

• ARM：手持硬件设备（安卓，IOS）
• x86：32位平台
• x64：64位，来自AMD
• 安腾：来自惠普，Intel收购
• Alpha：惠普
• UltraSparc：SUN公司
• Power：IBM
• M68000：摩托罗拉（M68K）
• PowerPC ：IBM

　　9.CPU怎么执行一个程序

　　单核的CPU，在某个时刻只能进行一次运算，为什么我们的程序看上去是并行执行呢？

　　这里需要引入切割机制，切割机制可以分为CPU切割和内存切割。

　　CPU切割：把CPU按照时间片（Slice）切割。比如一个Slice是5ms，那么每个程序只能运行5ms，下一个5ms就该换一个程序运行了（当然也可能仍然运行这个程序，具体取决于CPU的分配机制）。同时，CPU还应该有一个机制来记录程序的运行状态，以便程序在下一次运行的时候可以从先前的状态继续执行。

　　内存切割：引入分段机制，想象两个程序同时运行，而且都从内存的某一个编号开始占用（比如0x00000），那么后面的程序就会破坏掉前面程序的数据。现在引入了内存分段的机制，将内存分为一块块的区域，这些区域内部都从0x00000开始，那么程序就不会相互干扰了。

　　10.操作系统

　　上例中，怎么保证每个程序在每个时间片中程序都是严格执行呢？如果程序赖着不走怎么办？

　　这就需要引入操作系统了，操作系统就是用来对程序进行调度，以及协调其他程序进行工作，是位于硬件和应用软件之间的中间层。有了操作系统，任何程序都不能直接和硬件打交道，而是要经过操作系统这一中间层进行处理。

　　同一份程序，在不同的操作系统运行的效果不同的解释：程序要执行某一个功能，将请求交给操作系统，操作系统通过调用相关的库来执行，不同的操作系统实现实现某种库的方式可能不一样，那么程序的效果也就不一样了。

　　11.Shell

　　以Windows为例，为什么双击桌面上的图标就可以运行相应的程序，或则在命令行中输入calc就可以打开计算器呢？

　　上面的两种操作：双击图标和在命令行输入命令回车，本质上都是指令。我们的指令需要操作系统传到内核（kernel）中，然后实现程序的运行。接收指令的这个东东，就是人机交互接口（Shell）。Shell包括两种：

• GUI图形Shell
• CLI命令行Shell

　　不管是GUI还是CLI，目的都是向内核传送指令，实现某项操作，对于内核来说，通过什么方式传送指令并不重要。

　　操作系统内核的功能包括：　

• 进程管理（协调）
• 内存管理
• 文件系统
• 网路功能
• 硬件驱动
• 安全机制等

　　12.Linux发行版

　　终于讲到Linux了，照例在此之前应该讲讲Linux的起源，Unix，Bell实验室，Apple和Windows等等，但是历史性的东西并不是这篇博文的重点，这里就暂且跳过。

　　Linux是操作系统，也就是软件，软件要想运行，就需要编译成相应的二进制代码才能运行。

　　上面我们也谈到过，不同的CPU架构，完成某项操作的实现方式可能不同，因此在编译操作系统的时候不应该出现交叉编译的情况（比如在AMD上编译在Intel上运行）。

　　也就是说，想要在某个平台上使用操作系统，需要针对这个平台进行编译。这无疑增加了学习和使用的难度，作为初学者而言，这是噩梦。于是出现了一些组织，他们来对Linux的源码和外围的一些软件进行编译集成，然后发行出来，这就是Linux的发行版。这样的公司或组织有RedHat，Debian等

　　13.软件包管理器

　　早期的软件都是随着内核一起打包发布的，这样有个明显的缺点：不利于软件的管理，如软件的安装，卸载等。于是出现了软件包管理器，用来方便软件的管理，安装，卸载等。比较著名的有dpt（debian），rpm（redhat）等。

　　14.Linux的基本原则

• 组装：组合功能目的单一的小程序，完成复杂的任务
• 一切皆文件
• 尽量避免捕获用户接口（交互），比如输入ls，马上列出目录下的文件，不需要其他操作。
• 配置文件保存为纯文本格式——一个简单的文本编辑器就可以完成所有的功能。

　　15.命令的构成

　　基本格式为：命令 = 命题主体 + 选项 + 参数。

　　命令执行：输入命令后，由shell将指令发送给kernel，kernel即对该指令进行判断，决定是否执行。

　　命令可以跟上选项，用来修正命令的执行方式。格式为：

• 短选项：-单一字符，如 -a，-l，-h
• 长选项：--单词，如 --help

　　短选项多个选项可以组合：-a -h 可以组合成 -ah。长选项通常不能组合。

　　命令的参数：命令的表示命令的作用对象。如：ls -ah /etc 为列出 /etc 目录下的文件，如果不加参数，默认为当前目录。

　　16.一些琐碎知识

　　Linux（我这里使用的是RedHat）下一般有6个终端可以使用，可以按键盘组合键 ctrl + alt + f1~f6切换。

　　$ startx & -> 启用图形界面。

　　Linux图形界面的类型：Gnome（C），KDE（C++），XFace（轻量级图形界面）。

　　Linux命令行界面类型：bash csh zsh ksh....

　　任何跟shell相关的启动的程序，只要shell关了，这个程序也就关了（这不废话吗）。

　　su：切换用户（switch user 缩写）。

　　su root [-l] ：半切换，完全切换。

　　passwd：修改密码，连输两次即可。

　　对于root，可以随便修改，对于普通用户，需要满足密码复杂性规则。

 　　17.总结

　　这篇文章主要介绍了CPU和操作系统的简单工作原理，涉及到的概念有：运算器，控制器，寄存器，总线，南北桥，操作系统，shell等。算是对基础知识的一些总结，由于没有深刻学习，文章中有很多漏洞，更有许多模糊的知识没有加以说明。文章组织不够严谨，只是单纯的将知识点分条罗列，逻辑性有待加强。

　　就以这篇文章开始，一步步打开Linux的大门吧。