冯诺依曼体系结构描述的是硬件的组织，而操作系统方面的知识则与软件有关。

1、操作系统的概念

任何一个计算机系统都包含一个基本的程序集合，称为操作系统。操作系统，是一个进行软硬件资源管理的软件。

还记得吗？我们将操作系统分为广义操作系统，和狭义操作系统：

操作系统种类	广义操作系统	狭义操作系统
操作系统(泛指)	操作系统内核 + 核心应用软件	操作系统内核
Linux	Linux内核 + 指令、shell命令行…	Linux内核
windows	windows内核 + 图形化界面程序、软件…	windows内核

我们依旧在这里提醒一下：今后我们谈到操作系统，统一指的是狭义操作系统，即操作系统内核。

这里有一张网络上描述操作系统内核与外壳程序的关系图：

其中，我们可以看到，操作系统内核(Kernel内核)后跟着一段内容。这就是操作系统的四大核心管理任务：进程管理、内存管理、文件管理、驱动管理。

当然，我们知道，裸露的操作系统(内核)是不能直接接收用户提供的数据与指令，经处理后进行反馈的，即内核是不能直接用的。所以我们需要shell外壳程序。

再往外走，就是一些可以提供更具体、更个性化服务的软件。对于Linux，可能是一些指令、工具…；对于windows，可能是制作文档的工具、制作ppt的工具…；对于安卓系统，可能是游戏、播放视频的软件…

2、操作系统存在的原因

我们为什么要有操作系统？目前我们只能做一个浅显的认识：如果把操作系统删除了，我们所有的计算机硬件都将变为一堆废铁；所以，如果没有操作系统，计算机系统将无法正常运行。

我们来看一张操作系统分层架构的图：

从这张图我们可以看出，整个计算机系统是一个分层次的系统。

小贴士

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操作系统并不直接管理硬件设施。操作系统通过管理特定的驱动程序，从而控制特定的硬件。
假设操作系统直接控制硬件，我们可以认为，这个世界上每添加一个硬件设备，操作系统都要多添加一些代码用来管理这个硬件。这就增加了硬件与操作系统的耦合度，不利于模块化管理，导致效率的下降。

操作系统，

• 对下，通过驱动程序进行与硬件的交互，从而对(软)硬件进行管理。这是手段。
• 对上，保证程序运行时不出现问题、不随意终止，为用户提供稳定、高效、安全的运行环境。这是目的。

所以，操作系统本质上是一个工具。我们使用操作系统这个工具，就可以完成人与计算机的交互，利用人没有而计算机有的优势，来更高效地完成一些任务。

3、操作系统对软硬件的管理

预备知识

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操作系统本质上是一类软件，如今主流的操作系统，都是用C语言设计的。

提到管理，我们先来谈谈：管理是什么？

3.1、“管理”

管理，描述的就是管理者与被管理者的问题。

比如，在大学中，

• 校长就是管理者；
• 辅导员就是执行者；
• 学生就是被管理者。

在这个世界上，人做任何事情，无非两类：

• 做决策
• 做执行

比如：开学前，校长召开会议，做出决策：各个新生辅导员做好新生信息的收集工作；辅导员就执行校长的策略；刚入学的学生就接受管理，详细填写自己的主要信息。

校长作为管理者，核心工作就是做决策。而学生作为被管理者，是做执行的载体。

细节一：管理者要做好管理，不需要和被管理者见面！

管理者做管理不需要与被管理者见面，那么管理者如何把被管理者管理好？

实际上，管理者与被管理者见面，不是刚需。在管理者看来，被管理者身上相关的有效信息，才是管理的核心。也就是说，管理的本质是对数据做管理。管理者需要根据数据，做出相关的决策。

比如，我们大多数学生，几乎很少见到校长。但是校长依旧可以做出一些重大决策，因为校长手中掌握了学生们的数据。

细节二：管理者不需要与被管理者见面，那么管理者如何获取数据？

校长不直接与学生见面，那么校长手中学生的数据哪里来的？这时，辅导员就派上了用场。

辅导员作为执行者，执行校长关于收集学生信息的决策，将收集到的信息提交给校长，校长就可以根据这些数据做出下一步的决策。

在上面的情境中，

• 校长就是操作系统；
• 学生就是硬件；
• 辅导员就是硬件的驱动程序。

操作系统并不直接与硬件接触。操作系统通过硬件的驱动程序，收集硬件的相关数据(信息就是数据)，传输给操作系统；操作系统根据硬件的数据，结合用户输入的指令与数据，通过硬件驱动程序，完成对硬件的控制。

3.2、计算机实现管理——建模

假设当前大学中，只有50名学生。校长得到了一份辅导员手写的学生信息收集表，上面包含的信息有：姓名、电话、性别、身高、体重、学分绩点、在校表现…

由于学生的数量很少，校长就可以很容易地分析表格，做出决策：

• 挑出绩点最高的一位学生，给予奖学金；
• 挑出绩点倒数的几位同学，通知辅导员特殊关照一下；
• 挑出身高最高的前几位同学，参加市里的篮球比赛；
• …

然而，随着时间的推移，学校招收的学生越来越多，人数达到了10000人。这时辅导员做表格就要做半天，校长看表格也要看半天，严重影响了行事效率。

聪明的校长想到了使用计算机制作学生信息收集表，并且在计算机上进行分析。那么有没有一种数据类型，能够包含学生所有不同的信息，从而表示每一位学生？

还记得吗？我们曾经学过结构体：

struct Stu
{
	char _name[10];
	char _phone[11];
	const char* _sex;
	double _score[50];
	char _behaviour[128];
	// ...
};

有了结构体包含学生的基本信息，我们就可以表示(实例化)出所有学生了：

struct Stu zhangsan = {...};
struct Stu lisi = {...};
struct Stu wangwu = {...};

以前手写、查找表格速度慢，现在计算机上制作与分析表格快多了。

有了结构体还不够，学生变量与学生变量之间还是没有任何关联。校长想找出绩点最高的学生，必须一个一个找，还是比较麻烦。

为了让学生之间产生一种明显的联系，我们又想起了：节点

struct Stu
{
	char _name[10];
	char _phone[11];
	const char* _sex;
	double _score[50];
	char _behaviour[128];
	
	struct Stu* _next;
};

每增加一个学生，我们就在前一个学生节点后，创建一个学生节点并插入，就形成了一个链表：

现在校长有以下三个需求：

1. 找出身高最高的人，参加篮球比赛；
2. 找出C语言成绩最好的3个人，组队参加C语言比赛；
3. 找出绩点最高的人，给予奖学金。

那么校长这三个需求，就可以转化为遍历链表求最值的问题。

依据上面情境的思路，我们就可以把现实问题，转化为对数据结构的增、删、查、改！

回到我们对于管理的阐述。管理的本质是对数据进行管理，对数据的管理又可以转化为对数据结构的管理。这就是对现实问题做建模，我们此处的建模，指的是将现实问题转化为计算机问题。

3.3、先描述，再组织

在上面的情境中，

• 校长利用结构体存储学生信息，表示学生，是为描述；
• 校长将所有学生节点连接成链表，然后利用链表解决实际问题，是为组织。

在显示生活中，任何系统要被管理，任何问题要让计算机解决，就必须先描述，再组织。

问题一

我们之前写C语言程序，比如通讯录、贪吃蛇、扫雷游戏。我们一般都是先定义结构体描述一些基本对象，然后设计数据结构解决问题。这也是先描述，后组织。

问题二

我们说C++是一种面向对象的编程语言，C++有“类”这个概念，C++还有一个stl标准库，里面规定了许多数据结构及方法。

• 类的本质：对象的描述。
• stl的本质：对象的组织方式。

事实上，先描述，再组织，不仅仅是操作系统完成管理的方式，不仅仅是计算机解决问题的指导思想，不仅仅是C++的设计思想；先描述，再组织，可以认为是整个世界对于所有事物进行管理的真相！

只不过操作系统进行管理时的“先描述，再组织”，就是将基本要素用类型表示出来，然后将抽象的管理任务，转化为管理数据结构的问题。这就意味着，操作系统内部一定存在大量的结构体与数据结构。

小贴士

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当然，操作系统基本都是由C语言设计的。我们目前暂时先用struct结构体做描述，后面到了涉及C++的部分，就可以使用class等类类型了。

4、系统调用

现在我们知道了：操作系统内，存在着大量的结构体、数据结构。但是，直接访问这些结构体与数据结构，是有风险的。

你是一个银行行长，你有许多下属都是银行工作人员，你们构成一个银行系统；银行系统又与银行的桌椅、电脑、金库等银行的财产构成整个银行。

今天张三来存300元。你作为银行行长，你敢让张三自己在电脑里登记，然后自己往金库里面寄存自己的300元吗？答案是不行的：人人都这么干，群众中总有坏人会偷拿。

明天李四来取钱。李四是一个老大爷，腿脚都不方便，操作电脑、登记数据更不用说。身为银行行长，你也不敢让李四自己操作。

你作为银行行长，现在有两件事需要做到：

• 为人们提供存钱、取钱等服务；
• 防止群众中的坏人损害银行财产；

于是，你下令建了一堵玻璃墙，外面放桌椅，里面放电脑、金库…；外面开放给人们，而对于里面，你只开放了一个个小窗口；以后人们来银行想办什么事，都只能通过这个窗口完成。

人们想访问银行系统，只能通过银行提供的窗口完成；同理，用户想访问操作系统(内核)中的数据，只能通过系统调用完成。这就保证了操作系统不会发生数据丢失、恶意篡改的情况，以及不会发生因为用户的误操作导致操作系统损坏的情况发生，也就保证了用户安全的运行环境。

4.1、printf函数需要通过操作系统吗？

C语言中的printf函数向显示器打印内容之前，需要通过操作系统吗？

答案是需要。显示器属于硬件，而硬件的管理者是操作系统；printf向显示器做写入，必须经过操作系统。

4.2、库函数简单认识

向printf这样的我们不需要自己实现的函数，就是C语言提供的库函数。

如图，操作系统上层还有一个系统调用接口。实际上，系统调用接口就是C语言函数。

库函数在系统调用接口的上面一层。库函数是对系统调用函数的封装。如何理解？

第二天李四来取钱。李四是一个老大爷，腿脚都不方便，操作电脑、登记数据更不用说。身为银行行长，你也不敢让李四自己操作。

现在你有了第三个任务：帮助不熟悉操作的人，以及腿脚不方便的人，完成相关的业务。聪明的你专门设置了一个职位：大堂经理。大堂经理就是专门给那些不熟悉流程的人，以及腿脚不方便的人做指导的。

同理，大多数用户对于系统调用接口并不熟悉。所以就需要库函数对系统调用接口做封装，未来用户不会直接使用系统调用接口，而是操作更简单的库函数。库函数的使用，降低了用户使用操作系统的成本。

小贴士

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并不是所有库函数都封装了系统调用接口。如果库函数需要访问硬件，那么库函数就一定要封装系统调用接口。

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windows与Linux的系统不一样，那么系统调用接口肯定也是不一样的。我们使用的C/C++库函数，可能在windows系统和Linux系统分别都实现了一份。

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本文重点：

1. 先描述，再组织——操作系统管理(软)硬件的宏观方法；
2. 系统调用。