Linux學習：計算機和作業系統的基礎知識

　　在正式開始學習 Linux 作業系統之前，有必要先回顧/學習一下計算機和作業系統的基本知識，為我們在後續的學習中鋪路搭橋，在了解計算機一些基礎原理的條件下再去進行學習，理解應該會更透徹一些。我會從一個程式的簡單構成開始，逐步介紹我對計算機工作原理的一些理解，希望能夠給大家做一個參考。由於中間涉及的知識很多，有些內容我沒有進行深究，存在許多漏洞，因此僅供參考。

　　1.程式的構成

　　程式是由什麼構成的？簡單說來，這裡有一個公式：程式 = 資料 + 指令。這是程式設計師再熟悉不過的了，資料自不用多說，指令就是告訴程式，怎樣操作目標資料，這個“操作”不僅僅是在資料之間進行簡單的運算，而是包含了操作這些資料的一系列行為的集合，比如做兩個數位的加法運算，除了本身的加法這一指令之外，我們還需告訴CPU從哪裡讀取目標資料，以及完成加法操作後將資料放到何處等。

　　計算機的底層是二進位制資料，因此不管是指令還是資料，最終都會以二進位制的形式儲存。對於CPU，怎麼區分我們傳入的二進位制程式碼是資料還是指令呢？這就需要不同的線路將資料和指令進行分離。

• 控制（指令）匯流排：用來向CPU傳輸指令
• 資料匯流排：用來向CPU傳輸資料

　　2.CPU的簡單理解

　　一個CPU的核心部件包括三個：運算器，控制器和暫存器。

　　運算器是執行運算操作的地方，它會接收資料的輸入，在內部計算完成之後將資料輸出。

　　光有運算器還是不夠的，由於我們的指令和資料都是儲存在記憶體中，運算器需要知道在記憶體的哪個地方讀取資料，哪個地方讀取指令，以及在計算完成之後將資料放到哪裡等。這些資訊就是由控制器提供的。

　　暫存器是做什麼的？暫存器也叫暫存器，顧名思義，就是暫時儲存資料的地方。暫存器位於CPU的內部，用以儲存等待處理或者處理過的資料。為什麼需要暫存器？比如我們做一個四則運算，每次運算之後的結果應該儲存在哪裡？記憶體嗎？如果將每步運算結果儲存在記憶體中，無疑是加大了CPU的開銷，因為要在每步計算完成之後將其放入記憶體中，然後再讀取出來，再輸入到運算器進行計算……這很麻煩，開銷很大，並且浪費了CPU寶貴的效能。暫存器的作用就是將資料暫時存放在CPU的內部，那麼CPU在存取這些資料的時候，效率將會得到極大的提高（就近原則）。

　　3.中斷機制（Interrupt）

　　計算機有很多I/O裝置，比如鍵盤，滑鼠，，光碟機，磁碟，硬碟等。如果我們敲擊了鍵盤，CPU怎麼知道我們操作的是鍵盤而不是滑鼠或者光碟機呢？我們可以將敲擊鍵盤這個行為當做一個事件，這個事件是偶發的，CPU如果想偵測到這個事件，有兩個方式可以選擇：

• 輪詢機制（Poll）：CPU比較勤快，每隔一段時間就去看看，有沒有發生這個事件，如果發生了，就執行某個操作，如果沒有發生時間，則不做任何處理。
• 中斷機制（Interrupt）：CPU比較懶，並不想總是去檢視這些事件有沒有發生，而是找另一個人幫忙看著，如果發生了事件，就通知CPU，CPU再去做相應處理。

　　和CPU一樣，我們都非常勤（lan）快（duo），喜歡輕鬆又有保障的活。對於輪詢機制，有一個問題：事件是有隨機性的，有可能CPU輪詢了一天，使用者並沒有做出任何操作，那不是虧大發了嗎。所以我們肯定會選擇中斷機制啦，事實上CPU採用的也正是中斷機制。

　　4.中斷控制器

　　上面說了CPU的中斷機制。那麼問題來了，CPU又怎麼知道是滑鼠還是鍵盤上產生了事件？

　　這時候中斷控制器就登場了。中斷控制器和CPU的針腳相連，如果把中斷控制器比做蜘蛛，它將通過周圍遍布的蛛網和計算機上的I/O裝置連線，如果某個I/O裝置上產生了一個事件，就會發生電信號的變化，這個變化通過蛛網傳給中斷控制器，控制器也就知道是哪一個裝置發生了響應，進而將訊息傳遞給CPU。

　　5.南橋和北橋

　　對於計算機中的資料處理，有高速低速之分，或者高頻和低頻之分。南橋和北橋就是分別用來傳輸這兩種型別的資料，北橋在物理上距離CPU較進，用來處理高速高頻的資料。大多數的I/O裝置都在南橋上，這些裝置經過南橋匯總後，通過線路連線傳到北橋，再由北橋傳給CPU。

　　 舉例：一個網頁同時給一百萬個使用者存取，網頁檔案存放在伺服器的硬碟中，伺服器的每次響應都需要從硬碟中讀取這個網頁，由於硬碟連線在南橋，讀取速度和頻率較慢，這會產生嚴重的伺服器延遲（比如一個硬碟最高一次只能進行10萬次的資料輸出，那麼剩下的九十萬使用者就得等著），這是非常搞糟的體驗。因此，現在的伺服器很多都採用了固態硬碟，並將硬碟直接連線在北橋上，以獲取更高的讀取效能。

　　6.主頻和快取

 　　主頻可以理解為CPU的計算能力，主頻越大，CPU在單位時間的計算能力越強。CPU的頻率可以達到1GHZ，而記憶體的讀取速度遠遠低於CPU的頻率。給予木桶原理，即使CPU的速度再高，記憶體的讀取效率跟不上，計算機的整體效能也難以提高。為此我們可以造更快的記憶體，但是這種方式造價極高。於是出現了快取技術，快取技術是在速度和造價之間的擇中原則。

　　速度越快的部件，造價越高。因此最快的核心部分，我們只要一小塊，然後在其外圍放效能稍低（相對於核心）造價也稍低的裝置，這就是快取。CPU有一級快取，二級快取...快取在CPU和記憶體之間起到了承上啟下的作用。

　　快取的工作，需要遵循程式的區域性性原理，程式的區域性性原理分為時間區域性性和空間區域性性。

• 時間區域性性：剛剛存取的資料可能還會被存取，那麼將該資料需要被快取。
• 空間區域性性：如果存取一個資料，那麼離這個資料非常近的資料，也應該存取的比較快。因此在存取一個資料的時候，把其周圍的資料也一併載入進來，這樣就提高了其周圍資料的存取速度。

　　程式的區域性性原理，不僅應用在CPU的工作上，也用在碼農的編碼過程中，運用時間區域性性和空間區域性性，可以顯著提高程式的執行效率。

　　舉例：

• Javascript中存取內層變數比存取全域性變數快得多，因此我們在編碼的過程中盡量少的依賴全域性變數，可以提高執行的效率。（克制使用全域性變數的好處不僅這一處，這裡簡單的舉例說明）。
• for迴圈中快取變數，運算元據庫的時候快取欄位等。

　　7.機器碼，組合，高階語言

　　我們知道所有程式必須要編譯機器碼（二進位制）才能被計算機識別和執行，我們也知道組合是對機器碼的抽象，讓我們不用直面枯燥難懂的機器碼，而使用易於人類的語言進行程式設計。組合語言也叫作微碼，是CPU廠商為我們暴露出來，通過微碼我們可以進行針對CPU的程式設計。需要注意的是，不同的CPU架構不同，對於同一操作，其暴露出的微碼也不盡相同。因此針對不同的CPU，我們需要分別對他們進行程式設計。儘管有些許蛋疼，但總比使用機器碼程式設計好太多了。

　　高階語言是對組合語言更高的抽象，結合一些額外的機制，來彌合CPU之間的不同。然後暴露出公共的API程式設計師呼叫，儘管對於這份API，其在不同的平台下可能會進行不同的實現，但是對於程式設計師，我們只需呼叫這個API，就可以實現平台的相容，而我們自己再也不用考慮硬體的差異性了。

　　8.CPU的架構

　　下面是一些常見的架構：　

• ARM：手持硬體裝置（安卓，IOS）
• x86：32位元平台
• x64：64位元，來自AMD
• 安騰：來自惠普，Intel收購
• Alpha：惠普
• UltraSparc：SUN公司
• Power：IBM
• M68000：摩托羅拉（M68K）
• PowerPC ：IBM

　　9.CPU怎麼執行一個程式

　　單核的CPU，在某個時刻只能進行一次運算，為什麼我們的程式看上去是並行執行呢？

　　這裡需要引入切割機制，切割機制可以分為CPU切割和記憶體切割。

　　CPU切割：把CPU按照時間片（Slice）切割。比如一個Slice是5ms，那麼每個程式只能執行5ms，下一個5ms就該換一個程式執行了（當然也可能仍然執行這個程式，具體取決於CPU的分配機制）。同時，CPU還應該有一個機制來記錄程式的執行狀態，以便程式在下一次執行的時候可以從先前的狀態繼續執行。

　　記憶體切割：引入分段機制，想象兩個程式同時執行，而且都從記憶體的某一個編號開始佔用（比如0x00000），那麼後面的程式就會破壞掉前面程式的資料。現在引入了記憶體分段的機制，將記憶體分為一塊塊的區域，這些區域內部都從0x00000開始，那麼程式就不會相互干擾了。

　　10.作業系統

　　上例中，怎麼保證每個程式在每個時間片中程式都是嚴格執行呢？如果程式賴著不走怎麼辦？

　　這就需要引入作業系統了，作業系統就是用來對程式進行排程，以及協調其他程式進行工作，是位於硬體和應用軟體之間的中間層。有了作業系統，任何程式都不能直接和硬體打交道，而是要經過作業系統這一中間層進行處理。

　　同一份程式，在不同的作業系統執行的效果不同的解釋：程式要執行某一個功能，將請求交給作業系統，作業系統通過呼叫相關的庫來執行，不同的作業系統實現實現某種庫的方式可能不一樣，那麼程式的效果也就不一樣了。

　　11.Shell

　　以Windows為例，為什麼雙擊桌面上的圖示就可以執行相應的程式，或則在命令列中輸入calc就可以開啟計算器呢？

　　上面的兩種操作：雙擊圖示和在命令列輸入命令迴車，本質上都是指令。我們的指令需要作業系統傳到核心（kernel）中，然後實現程式的執行。接收指令的這個東東，就是人機互動介面（Shell）。Shell包括兩種：

• GUI圖形Shell
• CLI命令列Shell

　　不管是GUI還是CLI，目的都是向核心傳送指令，實現某項操作，對於核心來說，通過什麼方式傳送指令並不重要。

　　作業系統核心的功能包括：　

• 進程管理（協調）
• 記憶體管理
• 檔案系統
• 網路功能
• 硬體驅動
• 安全機制等

　　12.Linux發行版

　　終於講到Linux了，照例在此之前應該講講Linux的起源，Unix，Bell實驗室，Apple和Windows等等，但是歷史性的東西並不是這篇博文的重點，這裡就暫且跳過。

　　Linux是作業系統，也就是軟體，軟體要想執行，就需要編譯成相應的二進位制程式碼才能執行。

　　上面我們也談到過，不同的CPU架構，完成某項操作的實現方式可能不同，因此在編譯作業系統的時候不應該出現交叉編譯的情況（比如在AMD上編譯在Intel上執行）。

　　也就是說，想要在某個平台上使用作業系統，需要針對這個平台進行編譯。這無疑增加了學習和使用的難度，作為初學者而言，這是噩夢。於是出現了一些組織，他們來對Linux的原始碼和外圍的一些軟體進行編譯整合，然後發行出來，這就是Linux的發行版。這樣的公司或組織有RedHat，Debian等

　　13.軟體包管理器

　　早期的軟體都是隨著核心一起打包發布的，這樣有個明顯的缺點：不利於軟體的管理，如軟體的安裝，解除安裝等。於是出現了軟體包管理器，用來方便軟體的管理，安裝，解除安裝等。比較著名的有dpt（debian），rpm（redhat）等。

　　14.Linux的基本原則

• 組裝：組合功能目的單一的小程式，完成複雜的任務
• 一切皆檔案
• 儘量避免捕獲使用者介面（互動），比如輸入ls，馬上列出目錄下的檔案，不需要其他操作。
• 組態檔儲存為純文字格式——一個簡單的文字編輯器就可以完成所有的功能。

　　15.命令的構成

　　基本格式為：命令 = 命題主體 + 選項 + 引數。

　　命令執行：輸入命令後，由shell將指令傳送給kernel，kernel即對該指令進行判斷，決定是否執行。

　　命令可以跟上選項，用來修正命令的執行方式。格式為：

• 短選項：-單一字元，如 -a，-l，-h
• 長選項：--單詞，如 --help

　　短選項多個選項可以組合：-a -h 可以組合成 -ah。長選項通常不能組合。

　　命令的引數：命令的表示命令的作用物件。如：ls -ah /etc 為列出 /etc 目錄下的檔案，如果不加引數，預設為當前目錄。

　　16.一些瑣碎知識

　　Linux（我這裡使用的是RedHat）下一般有6個終端可以使用，可以按鍵盤組合鍵 ctrl + alt + f1~f6切換。

　　$ startx & -> 啟用圖形介面。

　　Linux圖形介面的型別：Gnome（C），KDE（C++），XFace（輕量級圖形介面）。

　　Linux命令列介面型別：bash csh zsh ksh....

　　任何跟shell相關的啟動的程式，只要shell關了，這個程式也就關了（這不廢話嗎）。

　　su：切換使用者（switch user 縮寫）。

　　su root [-l] ：半切換，完全切換。

　　passwd：修改密碼，連輸兩次即可。

　　對於root，可以隨便修改，對於普通使用者，需要滿足密碼複雜性規則。

 　　17.總結

　　這篇文章主要介紹了CPU和作業系統的簡單工作原理，涉及到的概念有：運算器，控制器，暫存器，匯流排，南北橋，作業系統，shell等。算是對基礎知識的一些總結，由於沒有深刻學習，文章中有很多漏洞，更有許多模糊的知識沒有加以說明。文章組織不夠嚴謹，只是單純的將知識點分條羅列，邏輯性有待加強。

　　就以這篇文章開始，一步步開啟Linux的大門吧。

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