第1章　计算机系统的概要

本章将简要说明什么是 OS，以及 OS 与硬件设备的关系。本章有很多比较抽象的描述，因此读者也可以暂时跳过本章，在需要时再回来查看相关内容。

世界上充满了各种计算机系统，比如大家身边的个人计算机、智能手机、平板电脑，以及平时不怎么接触的商用服务器等。虽然这些计算机系统上的硬件结构存在各种各样的差异，但大体上为如图 1-1 所示的结构。

图 1-1　计算机系统的硬件结构

在计算机系统运行时，在硬件设备上会重复执行以下步骤。

① 通过输入设备或网络适配器，向计算机发起请求。

② 读取内存中的命令，并在 CPU 上执行，把结果写入负责保存数据的内存区域中。

③ 将内存中的数据写入 HDD（Hard Disk Drive，硬盘驱动器）、SDD

（Solid State Disk，固态硬盘）等存储器，或者通过网络发送给其他计算机，或者通过输出设备提供给用户。

④回到步骤①。

由这些重复执行的步骤整合而成的对用户有意义的处理，就称为程序。程序大体上分为以下几种。

• 应用程序：能让用户直接使用，为用户提供帮助的程序，例如计算机上的办公软件、智能手机和平板电脑上的应用
• 中间件：将对大部分应用程序通用的功能分离出来，以辅助应用程序运行的程序，例如 Web 服务器、数据库系统
• OS：直接控制硬件设备，同时为应用程序与中间件提供运行环境的程序，例如 Linux

以上这些程序如图 1-2 所示相互协作着运行。

图 1-2　各种程序相互协作着运行

通常情况下，程序在 OS 上以进程为单位运行。每个程序由一个或者多个进程构成（图 1-3）。包括 Linux 在内的大部分 OS 能同时运行多个进程。

图 1-3　程序由一个或者多个进程构成

下面我们来介绍一下 Linux，以及 Linux 与硬件设备的关系。虽然下面的很多内容不仅适用于 Linux，也适用于其他 OS，但为了便于说明，在此不作具体区分。

调用外部设备（以下简称“设备”）是 Linux 的一个重要功能。如果没有 Linux 这样的 OS，就不得不为每个进程单独编写调用设备的代码（图 1-4）。

图 1-4　当不存在 OS 时的设备调用

在这种情况下，会存在以下缺点。

• 应用程序开发人员必须精通调用各种设备的方法
• 开发成本高
• 当多个进程同时调用设备时，会引起各种预料之外的问题

为了解决上述问题，Linux 把设备调用处理整合成了一个叫作设备驱动程序的程序，使进程通过设备驱动程序访问设备（图 1-5）。

图 1-5　进程通过设备驱动程序访问设备

虽然世界上存在各种设备，但对于同一类型的设备，Linux 可以通过同一个接口进行调用（图 1-6）。

图 1-6　通过同一个接口调用同一类型的设备

在某个进程因为 Bug 或者程序员的恶意操作而违背了“通过设备驱动程序访问设备”这一规则的情况下，依然会出现多个进程同时调用设备的情况。为了避免这种情况，Linux 借助硬件，使进程无法直接访问设备。具体来说，CPU 存在内核模式和用户模式两种模式，只有处于内核模式时才允许访问设备。另外，使设备驱动程序在内核模式下运行，使进程在用户模式下运行（图 1-7）。

图 1-7　进程在用户模式下运行，设备驱动程序在内核模式下运行

除此之外，还有许多不应被普通进程调用的处理程序，如下所示。

• 进程管理系统
• 进程调度器
• 内存管理系统

这些程序也全都在内核模式下运行。把这些在内核模式下运行的 OS 的核心处理整合在一起的程序就叫作内核。如果进程想要使用设备驱动程序等由内核提供的功能，就需要通过被称为系统调用的特殊处理来向内核发出请求。

需要指出的是，OS 并不单指内核，它是由内核与许多在用户模式下运行的程序构成的。关于 Linux 中的在用户模式下运行的功能，以及作为进程与内核的通信接口的系统调用，我们将在第2章具体说明。

第3章将对负责创建与终止进程的进程管理系统进行说明。

内核负责管理计算机系统上的 CPU 和内存等各种资源，然后把这些资源按需分配给在系统上运行的各个进程（图 1-8）。

图 1-8　内核管理着 CPU 和内存等资源

图 1-8 中负责管理 CPU 资源的进程调度器的相关内容将在第4章详细说明，负责管理内存的内存管理系统的相关内容将在第5章详细说明。

在进程运行的过程中，各种数据会以内存为中心，在 CPU 上的寄存器或外部存储器等各种存储器之间进行交换（图 1-9）。这些存储器在容量、价格和访问速度等方面都有各自的优缺点，从而构成被称为存储层次的存储系统层次结构。从提高程序运行速度和稳定性方面来说，灵活有效地运用各种存储器是必不可少的一环。存储层次的相关内容将在第6章详细说明。

图 1-9　数据在各种存储器之间交换

虽然可以通过设备驱动程序访问外部存储器中的数据，但为了简化这一过程，通常会利用被称为文件系统的程序进行访问（图 1-10）。文件系统的相关内容将在第7章详细说明。

图 1-10　通常利用文件系统访问外部存储器

对于计算机系统来说，外部存储器是不可或缺的。在启动系统时，首先需要做的就是从外部存储器中读取 OS1。此外，为了防止在关闭电源时丢失系统运行期间在内存上创建的数据，必须在关闭电源前把这些数据写入外部存储器。第8章将详细介绍这些外部存储器的性能与特性，以及用于提高其性能的内核的功能。

1准确地说，在读取 OS 之前，还存在以下操作：①通过 BIOS（Basic Input Output System，基本输入 / 输出系统）或 UEFI（Unified Extensible Firmware Interface，统一可扩展固件接口）这种固化在硬件上的软件来初始化硬件设备；②运行引导程序来选择需要启动的 OS。