為什麽要學習 Linux

2050年人工智能或將超越人類智商，機器人產生了自主意識,,完全取代人腦思維甚至統治人類,或許....

有人說：windows是漂亮的，Linux是智慧的、透明的。

全球TOP500超級計算機排行榜中99%都是linux內核。

任何手持智能終端設備就連電子表的底層都是Linux

你或許會認為Windows更為易用，Linux操作起來很慢，Linux入門曲線陡峭，其實當我們學會一些命令之後，一個命令所完成的事，Windows中需要幾次步驟才能完成。

基於命令行，執行速度快，工作效率高

Linux系統遵循GPL協議，屬於開源軟件，你能用任意姿勢獲取源代碼，修改源碼，學習源碼，而且Linux有自己的開源社區，能在上面開拓視野，接觸許多科學前沿的東西。

計算機的組成、虛擬機的原理、操作系統基礎

馮諾依曼體系結構

馮·諾伊曼明確提出了計算機的體系架構，從1951年第一臺電子計算機EDVAC開始，計算機經歷了多次的更新換代，不管是最原始的、還是最先進的計算機，使用的仍然是馮·諾依曼最初設計的計算機體系結構。因此馮·諾依曼被世界公認為“計算機之父”，他設計的計算機系統結構，稱為“馮諾依曼體系結構”。

結構及框架

運算器：用於完成各種算術運算、邏輯運算和數據傳送等數據加工處理。

控制器：用於控制程序的執行，是計算機的大腦。運算器和控制器組成計算機的中央處理器（CPU）。控制器根據存放在存儲器中的指令序列（程序）進行工作，並由一個程序計數器控制指令的執行。控制器控制計算器各部件的協調。

存儲器：用於臨時存放程序和數據，運算器運算結果，保存的位置。例如：內存。程序和數據以二進制代碼形式不加區別地存放在存儲器中，存放位置由地址確定。

輸入設備：用於將數據或程序輸入到計算機中，例如：鼠標、鍵盤。

輸出設備：將數據或程序的處理結果輸出至指定設備，例如：顯示器、打印機。

總線的組成

數據總線

DB 用於數據交換的總線

AB 用來傳送地址的總線，地址總線的位數決定了CPU可直接尋址的內存空間大小，一般說來，若地址總線為n位，則可尋址空間為2^n字節。

CB 傳送控制信號和時序信號。有的是微處理器送往存儲器和I/O接口電路，也有是其它部件反饋給CPU的，控制總線的傳送方向由具體控制信號而定，(信息)一般是雙向的，控制總線的位數要根據系統的實際控制需要而定。實際上控制總線的具體情況主要取決於CPU。

前端總線（FSB)是將CPU連接到北橋芯片的總線，前端總線（FSB）頻率（即總線頻率）是直接影響CPU與內存直接數據交換速度。

緩存

cpu 4GHZ 內存 1600/1800MHZ,（單位換算：1GHZ=1000MHZ）內存大約1.56GHZ,CPU的速度遠遠超過內存的速度，由短板理論終的速度為內存的速度。

緩存以CPU頻率工作，價格高，所以很小。

主要意義：

時間局部性 當某個數據被訪問過一次之後，過不了多久時間就會被再一次訪問。緩存對此數據緩存

空間局部性 CPU在某一時刻需要某個數據，那麽很可能下一步就需要其附近的數據；緩存將對附近的資源緩存

硬盤

固態硬盤

在不同的分區的讀取速度一致

機械硬盤

盤片（disk）：硬盤中承載數據存儲的介質。兩面讀寫

磁頭(head)：通過磁性原理讀取磁性介質上數據的部件。

磁道(tracle)：當磁盤旋轉時，磁頭若保持在一個位置上，則每個磁頭都會在磁盤表面劃出一個圓形軌跡，這些圓形軌跡就叫做磁道。

扇區(sector)：磁盤上的每個磁道被等分為若幹個弧段，這些弧段便是磁盤的扇區。硬盤的讀寫以扇區為基本單位

分區：由外向內按柱面劃分，外道長:固定角速度，單位時間內劃動的距離越長

C在外道，單位時間內，讀取的數據越多

D在較內道，單位時間內，讀取的數據越少

虛擬機的原理

虛擬機的框架：

vmware程序：虛擬出多個虛擬的計算機(CPU+內存+硬盤)

虛擬CPU

切割CPU時間片

cpu將時間片切割，使各個程序從表面上看是同時進行的。在微觀上：每幾個毫秒思考一件事，時間用完如果進程仍在執行，就記錄進程的狀態，連續運行後面的進程。

內存:有限內存切割後，分配給不同程序使用

線性地址空間：假設每個程序有4G內存可用，實際只有自己占據的大小

進程地址空間: 將內存上不連續的內存頁在邏輯上映射為一段連續的空間

I/O設備:模擬器實現：動態分配大小

操作系統的基礎

CPU: 晶體管 10-20nm 45nm工藝 門電路 邏輯運算/算術、邏輯運算，芯片、多個針腳，每個針腳有不同的功能、完成不同的運算。調用針腳即可完成運算,調用CPU針腳完成運算：機器語言

CPU針腳的功能即為CPU的指令，CPU多個指令叫指令集

指令的分類：普通指令、特權指令

普通指令：普通用戶僅能在環3上運行，如果要用到環0的指令，就需要向內核申請，即為發起系統調用

特權指令：僅管理員可運行的指令，用於管理功能。

CPU常見平臺：

IBM（power)

SUN （ultrasparc）--> Oracle

惠普 (alpha)(安騰)dec-康白-惠普

Intel (x86，X86_64) 向下兼容

AMD (amd64)

ARM Intel只設計，不生產。三星，高通生產

Andorid (linux)

IOS (UNIX)

摩托摩拉 (手持 m68k,服務器 m68k nommu)

蘋果，IBM,摩托摩拉 (powerpc，早期的強悍的CPU)

天河二號：大堆CPU拼湊而成

面向硬件寫程序所用的語言：

機器語言過於底層。每個芯片生產完成時，附帶一套略微高級的接口(微碼編程接口，匯編語言)，比較底層，寫大型程序困難。高級語言(c,c++)

低級和高級語言所寫的程序的區別：

低級語言：匯編語言，計算機容易理解的語言，運行起來的性能更好

高級語言：c,java,python,...，計算機不易理解的語言，運行起來性能差

由於是面向硬件寫程序，考慮CPU平臺，內存分配，...諸多問題。研發出操作系統：

目的： 消除底層差異，程序員面向硬件寫程序不用考慮各種硬件相關的問題

功能： 抽象計算機的計算能力為統一的接口，將底層硬件功能封裝為系統調用(syscall)，協調進程占用內存資源與CPU時間的分配。

作用：

硬件驅動：硬件工作起來

進程管理：CPU時間片切割和CPU的計算能力分配給不同的程序

內存管理：將有限的內存資源分配給多個同時運行的程序

網絡管理：與其他主機通過網絡通信

安全管理

寫程序面向的對象和語言

硬件規格： 機器語言、匯編語言、高級語言，考慮CPU平臺，內存分配，...諸多問題

系統調用: 高級語言，system call 將底層硬件規格抽象為syscall，保證syscall少，庫也比較底層

庫調用: 高級語言，面向 syscall 封裝的庫 ，將底層庫抽象出的庫(c)

用形象化的思維：

面向硬件：給你的是"麥種"，要想吃饅頭，經過的步驟: 翻地、播種、澆水、施肥、收割、磨面、做包子、蒸饅頭。

面向系統調用：給你的是面粉，

面向庫調用： 給你你的是饅頭，

越高層，寫程序越容易，選擇更多樣。

越低層，寫程序越難，選擇更少。

註意：寫出的程序為源碼程序

程序運行前的步驟：

源碼程序--> 編譯 --> 匯編 --> 二進制指令(能調用對應CPU平臺的針腳，不同系統有不同的格式）

二進制指令如何運行：

由操作系統分配資源，讓程序占據CPU時間片和內存資源

指令：被操作系統調度至CPU上，二進制指令能調用CPU上的某個指令(針腳)，完成某些功能

用戶接口

跟操作系統交互的程序，稱之為"用戶接口"：指揮其他程序的運行

windows: 桌面

Linux： UI

GUI：Graphic User Interface,程序：Gnome,XFCE,KDE

CLI: Command Line Interface，程序： sh,csh,ksh,zsh,bash

在不同的系統之上寫的程序(源碼）

ABI Application Binary Interface: 源碼制作成二進制的格式(可執行文件的格式)，運行接口，應用二進制格式。終端用戶面向的接口。

API Application Program Interface: 寫程序面向的對象，應用編程接口，程序員面對的接口

ABI不能兼容：

不同操作系統上的程序，制作成二進制後，不能兼容，(轉換為對應平臺調用CPU針腳的指令，不同CPU廠商生產的CPU針腳不同，所以程序調用的針腳不同)

API不能兼容：

寫程序面向的對象不同，不同操作系統提供的systemcall,libcall接口不同。一個系統上寫的程序，不能在另一個系統之上編譯~~~

API兼容：

寫程序面向的對象不同，但是提供的Systemcall,libcall接口能夠兼容(底層針腳不同，但是經過操作系統抽象硬件功能為兼容的接口,所寫的程序在源碼級別兼容，這就是遵循‘POSIX‘規範。一個系統上寫的程序，能在另一個系統之上編譯~~~，編譯後只能在對應平臺運行，不能跨平臺運行，ABI不同。

操作系統的定義：

廣義：windows系統，我們所指的是用戶接口（windows桌面、Linux bash）和內核

狹義：內核

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