计算机系统与操作系统入门详解

1.计算机系统简介

1.1 组成结构

1.2 系统软件

计算机中的软件分为系统软件和应用软件。日常使用的软件多为应用软件，而系统软件起初并不存在，但后来逐渐发展起来。系统软件作为人与计算机之间的交互界面，负责管理计算机的硬件和软件。

应用软件则包括我们常玩的游戏等程序，而系统软件的种类更为丰富，如语言处理系统、操作系统和服务性程序等，都属于系统软件。

1.3 冯诺依曼计算机特点

1.4 硬件构架

硬件构架包括运算器、控制器（指挥和控制程序的执行）、存储器、输入设备和输出设备（将计算机处理结果转换为人们熟悉的内容）五个部分。

冯诺依曼结构的改进：从以运算器为中心转变为以存储器为中心，并形成了层次化的结构。

计算机的硬件组成架构图：计算机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备组成。其中，运算器和控制器构成了计算机的CPU，存储器分为主存和辅存，CPU和主存一起组成计算机的主机，输入输出设备和辅存一起组成IO设备，IO设备与主机共同构成了计算机的硬件部分。

2.硬件的进一步认识

我们已经介绍了冯诺依曼体系结构的基本组成及其改进与优化，接下来将结合实际，系统地介绍相关架构的组件及其相互关系。

2.1 存储器

存储器即我们的内存，非常重要。存储分为外存和内存，存储器特指内存，而外存如磁盘和U盘等。

2.2 输入设备

键盘是一个典型的输入设备，负责采集我们输入的信息；摄像头采集人脸信息，话筒采集声音，从这个角度看，它们都是输入设备。此外，鼠标（采集我们的点击信息）、磁盘（从磁盘中打开文件）、网卡也属于输入设备。

2.3 输出设备

显示器、播放器硬件、磁盘、网卡都属于输出设备。我们可以看到，有些设备是单纯的输入或输出设备，但如磁盘和网卡则兼具输入和输出功能。

2.4 CPU组成

CPU由运算器和控制器两部分组成。运算器负责对数据进行运算，包括逻辑运算和算数运算。

从输入设备到存储器，再从存储器到运算器进行运算，最后由输出设备输出，这一过程全程由控制器监控。

2.5 线的概念引入

这五个部分构成了计算机的基本架构，但它们是独立的个体，各自发挥作用。每一个硬件单元都需要通过“线”进行连接，这些线分为系统总线和IO总线。

3.操作系统

3.1 操作系统简介

操作系统是进行管理的软件，负责管理冯诺依曼体系结构中涉及的硬件，也会对部分软件进行管理，既能管理硬件，也能管理软件。

每一个硬件配备自己的驱动程序，驱动程序连接操作系统和硬件设备。

操作系统帮助用户管理底层的软硬件资源，通过管理好软硬件资源，为用户提供良好的执行和使用环境，软硬件资源管理只是手段，目标是为了用户的良好体验。

操作系统内部会有各种数据，但操作系统不信任任何用户，所有的访问操作系统的行为，都是通过系统调用完成的。

3.2 操作系统如何管理

管理者和被管理者不需要直接见面，在这种情况下，如何进行管理呢？只要能够把信息管理起来，就可以进行管理决策。

管理的本质是通过对数据的管理，达到对人的管理，但这个过程并不是直接的，而是通过执行者完成的。驱动程序就是这个过程中的执行者。在一个学校里，校长相当于操作系统，学生相当于软硬件资源，学生和校长并不是直接对接的，而是通过辅导员这个驱动程序进行管理。这个类比可以帮助我们具体理解驱动程序和操作系统对软硬件的管理过程和关系。

描述清楚软硬件资源的相关属性，我们对设备的管理转化为对相同属性的管理。在操作系统中，对对象的管理就转化为对某一种数据结构的增删查改。当数据量很大时，我们就需要使用先描述，再组织的方式进行管理。

3.3 库函数和系统调用

库函数和系统调用是调用和被调用的关系。操作系统提供的接口称为系统调用，系统调用的封装就会形成库函数，库函数内部的内容通过系统调用被用户使用。