计算机组成概述

计算机组成原理

如上图计算机的组成结构，CPU运行速度远远高于内存，而内存运行速度又远远高于I/O；
由于三者运行速度巨大差异，如果系统仅运行一个任务（单任务系统），那么将有大量的CPU空闲时间等待缓慢的I/O及内存的读取。为提高CPU的使用效率，于是便产生了多任务系统系统的需求。

多任务系统

多任务实现的基础，我们知道计算机处理任务主要靠CPU和存储，我们分别针对以上两个重要组成部分讨论如何时间多任务处理。

首先考虑单个CPU如何处理多个事件呢？
其实CPU无法真正实现同时处理多个事件，CPU将时间分割成为时间片，第一个时间时间片用于处理task1，第二个时间片用于处理task2……依次类推。这种方式为CPU的时分复用（时分复用概念在计算机领域应用非常广泛）。

其次存储是如何实现多个事件处理，而互不干扰呢？
内存将自身分为指定大小的存储单元，8位2进制为一个存储单元，称之为一个Byte，这些存储单元都拥有自己的地址。为一个程序分配一定数量的存储单元用于存储程序指令与数据，各程序所获得的存储单元地址互不重复，以此实现存储的复用，与时分复用不同，存储采用的是空间的分割复用。

附：内存寻址基础
8bit –> 1Byte
1024Bytes –> 1KB
1024KB –> 1MB
1024MB –> 1GB
以上是位到字节个单位的换算关系，我们考虑考虑一下32bit 的寻址范围：即2³²

附：内存寻址基础
8bit –> 1Byte
1024Bytes –> 1KB
1024KB –> 1MB
1024MB –> 1GB
以上是位到字节个单位的换算关系，我们考虑考虑一下32bit 的寻址范围：即2³²

32位CPU内存寻址范围计

回到正题，CPU与内存实现了复用机制，CPU时间片依次从指定内存段中存取指令与数据进行事件处理，实现多任务：

显而易见，要实现CPU时间片与内存地址段之间的调度与管理，我们需要一套有效的监控机制，于是多任务的需求便引出了操作系统的诞生。

操作系统发展史

^{现在流行修家谱，我们看看Unix/Linux的族谱}

该图援引自 http://os.51cto.com/art/200810/92024.htm 

伴随着GNU的需求，Linux最终千呼万唤始出来，1994年Linux 1.0发布。
对以上历史感兴趣的话，可以参考该文《Unix/Linux历史和大事记》（http://os.51cto.com/art/200810/92024.htm ）此处不再赘言。

操作系统基础

计算机只能识别二进制机器语言，然而我们是基本上不可能理解复杂的二进制语言的，如何让CPU、内存、I/O这些硬件设备工作？如何让多个任务并行执行而互不冲突？这就是操作系统所要完成的最重要的任务

操作系统的核心功能

1. 硬件驱动

2. 进程管理

3. 安全管理

4. 网络管理

5. 内存管理

6. 文件系统管理

操作系统充当着人与机器之间的翻译官，尽管操作系统仍然难于理解，但相比于010101串已经更容易让人理解了。基于这种思想，我们在系统之上不断增加层次，内核之上的系统调用，系统调用之上的类库，再之上的高级程序语言，由此，操作系统以其相对友好的接口与人类建立了沟通渠道。当然，类库，系统调用，内核，汇编程序这些还是需要人类编写的，但这些工作就交给哪些只可仰望的牛人吧。

上图描述了操作系统的组成结构，就是这样一层层组织起来的，与OSI七层模型一样，分层的思想充斥着计算机世界。

这里引入两个概念：
API：应用程序接口
ABI：应用程序二进制接口
这两个概念涉及到程序的可移植性，这里仅提出，包括程序编译等相关知识原理，欲知详情请问google。

Linux发行版本

所谓Linux发行版本，就是将Linux内核包括一些常用APP，打包编译好，从而使得我们这些无法掌握编译安装的“小白们”能够更容易安装和使用操作系统。

想了解更全面的Linux发行版本信息详见《Linux发行版本时间线》，这里只对主要分支进行说明。

Slackware与redhat背后是有商业公司支撑的，而Debian则没有。国内RHEL与Centos的应用较为广泛。

开源软件为Linux发展提供了巨大的推动力，开源软件以提供源码的方式将软件与外界共享。目前的开源协定主要有GNU的GPL， BSD licenses，Apache licenses，相比于GPL后两者的限定较为宽松，协议详情参考wikipedia

闭源软件为用户提供编译完成的二进制可执行程序，源码不对外公开。目前流行的做法是对某软件进行双线授权，分为社区（Community）版本和企业（Enterprise）版本，企业版本提供更为强大的功能和服务，而社区版本在软件基本功能的前提下，在水平足够的时候可以进行你的私人定制（二次开发）。

一个完整的程序包括：二进制可执行文件、配置文件、库文件（程序库）、帮助文件。如果众多文件杂乱无章对于我们进行软件管理来说将带来巨大不便。还好，我们有软件包管理器，它用于将众多文件打包，在安装时展开到文件系统指定位置，卸载时找到程序相关文件并删除，查询软件信息等功能。

不同的Linux发行版本中使用不同的软件包管理工具：

发行版本        软件包管理工具            前段管理工具
Debian          dpkg                   apt-get
Redhat          rpm                    yum（dnf 即将开始使用）
S.u.S.E         rpm                    zypper

最后，介绍一个极具挑战版本，LFS（Linux from Scratch），是一本从零开始编译安装Linux的指导书。