在正式開始學習 Linux 操作系統之前，有必要先回顧/學習一下電腦和操作系統的基本知識，為我們在後續的學習中鋪路搭橋，在瞭解電腦一些基礎原理的條件下再去進行學習，理解應該會更透徹一些。我會從一個程式的簡單構成開始，逐步介紹我對電腦工作原理的一些理解，希望能夠給大家做一個參考。由於中間涉及的知 ...
在正式開始學習 Linux 操作系統之前，有必要先回顧/學習一下電腦和操作系統的基本知識，為我們在後續的學習中鋪路搭橋，在瞭解電腦一些基礎原理的條件下再去進行學習，理解應該會更透徹一些。我會從一個程式的簡單構成開始，逐步介紹我對電腦工作原理的一些理解，希望能夠給大家做一個參考。由於中間涉及的知識很多，有些內容我沒有進行深究，存在許多漏洞，因此僅供參考。
1.程式的構成
程式是由什麼構成的？簡單說來，這裡有一個公式：程式 = 數據 + 指令。這是程式員再熟悉不過的了，數據自不用多說，指令就是告訴程式，怎樣操作目標數據，這個“操作”不僅僅是在數據之間進行簡單的運算，而是包含了操作這些數據的一系列行為的集合，比如做兩個數字的加法運算，除了本身的加法這一指令之外，我們還需告訴CPU從哪裡讀取目標數據，以及完成加法操作後將數據放到何處等。
電腦的底層是二進位數據，因此不管是指令還是數據，最終都會以二進位的形式保存。對於CPU，怎麼區分我們傳入的二進位代碼是數據還是指令呢？這就需要不同的線路將數據和指令進行分離。
- 控制（指令）匯流排：用來向CPU傳輸指令
- 數據匯流排：用來向CPU傳輸數據
2.CPU的簡單理解
一個CPU的核心部件包括三個：運算器，控制器和寄存器。
運算器是執行運算操作的地方，它會接收數據的輸入，在內部計算完成之後將數據輸出。
光有運算器還是不夠的，由於我們的指令和數據都是保存在記憶體中，運算器需要知道在記憶體的哪個地方讀取數據，哪個地方讀取指令，以及在計算完成之後將數據放到哪裡等。這些信息就是由控制器提供的。
寄存器是做什麼的？寄存器也叫暫存器，顧名思義，就是暫時保存數據的地方。寄存器位於CPU的內部，用以保存等待處理或者處理過的數據。為什麼需要寄存器？比如我們做一個四則運算，每次運算之後的結果應該保存在哪裡？記憶體嗎？如果將每步運算結果保存在記憶體中，無疑是加大了CPU的開銷，因為要在每步計算完成之後將其放入記憶體中，然後再讀取出來，再輸入到運算器進行計算……這很麻煩，開銷很大，並且浪費了CPU寶貴的性能。寄存器的作用就是將數據暫時存放在CPU的內部，那麼CPU在訪問這些數據的時候，效率將會得到極大的提高（就近原則）。
3.中斷機制（Interrupt）
電腦有很多I/O設備，比如鍵盤，滑鼠，，光碟機，磁碟，硬碟等。如果我們敲擊了鍵盤，CPU怎麼知道我們操作的是鍵盤而不是滑鼠或者光碟機呢？我們可以將敲擊鍵盤這個行為當做一個事件，這個事件是偶發的，CPU如果想偵測到這個事件，有兩個方式可以選擇：
- 輪詢機制（Poll）：CPU比較勤快，每隔一段時間就去看看，有沒有發生這個事件，如果發生了，就執行某個操作，如果沒有發生時間，則不做任何處理。
- 中斷機制（Interrupt）：CPU比較懶，並不想總是去查看這些事件有沒有發生，而是找另一個人幫忙看著，如果發生了事件，就通知CPU，CPU再去做相應處理。
和CPU一樣，我們都非常勤（lan）快（duo），喜歡輕鬆又有保障的活。對於輪詢機制，有一個問題：事件是有隨機性的，有可能CPU輪詢了一天，用戶並沒有做出任何操作，那不是虧大發了嗎。所以我們肯定會選擇中斷機制啦，事實上CPU採用的也正是中斷機制。
4.中斷控制器
上面說了CPU的中斷機制。那麼問題來了，CPU又怎麼知道是滑鼠還是鍵盤上產生了事件？
這時候中斷控制器就登場了。中斷控制器和CPU的針腳相連，如果把中斷控制器比做蜘蛛，它將通過周圍遍佈的蛛網和電腦上的I/O設備連接，如果某個I/O設備上產生了一個事件，就會發生電信號的變化，這個變化通過蛛網傳給中斷控制器，控制器也就知道是哪一個設備發生了響應，進而將訊息傳遞給CPU。
5.南橋和北橋
對於電腦中的數據處理，有高速低速之分，或者高頻和低頻之分。南橋和北橋就是分別用來傳輸這兩種類型的數據，北橋在物理上距離CPU較進，用來處理高速高頻的數據。大多數的I/O設備都在南橋上，這些設備經過南橋彙總後，通過線路連接傳到北橋，再由北橋傳給CPU。
舉例：一個網頁同時給一百萬個用戶訪問，網頁文件存放在伺服器的硬碟中，伺服器的每次響應都需要從硬碟中讀取這個網頁，由於硬碟連接在南橋，讀取速度和頻率較慢，這會產生嚴重的伺服器延遲（比如一個硬碟最高一次只能進行10萬次的數據輸出，那麼剩下的九十萬用戶就得等著），這是非常搞糟的體驗。因此，現在的伺服器很多都採用了固態硬碟，並將硬碟直接連接在北橋上，以獲取更高的讀取性能。
6.主頻和緩存
主頻可以理解為CPU的計算能力，主頻越大，CPU在單位時間的計算能力越強。CPU的頻率可以達到1GHZ，而記憶體的讀取速度遠遠低於CPU的頻率。給予木桶原理，即使CPU的速度再高，記憶體的讀取效率跟不上，電腦的整體性能也難以提高。為此我們可以造更快的記憶體，但是這種方式造價極高。於是出現了緩存技術，緩存技術是在速度和造價之間的擇中原則。
速度越快的部件，造價越高。因此最快的核心部分，我們只要一小塊，然後在其外圍放性能稍低（相對於核心）造價也稍低的設備，這就是緩存。CPU有一級緩存，二級緩存...緩存在CPU和記憶體之間起到了承上啟下的作用。
緩存的工作，需要遵循程式的局部性原理，程式的局部性原理分為時間局部性和空間局部性。
- 時間局部性：剛剛訪問的數據可能還會被訪問，那麼將該數據需要被緩存。
- 空間局部性：如果訪問一個數據，那麼離這個數據非常近的數據，也應該訪問的比較快。因此在訪問一個數據的時候，把其周圍的數據也一併載入進來，這樣就提高了其周圍數據的訪問速度。
程式的局部性原理，不僅應用在CPU的工作上，也用在碼農的編碼過程中，運用時間局部性和空間局部性，可以顯著提高程式的運行效率。
舉例：
- Javascript中訪問內層變數比訪問全局變數快得多，因此我們在編碼的過程中儘量少的依賴全局變數，可以提高運行的效率。（剋制使用全局變數的好處不僅這一處，這裡簡單的舉例說明）。
- for迴圈中緩存變數，操作資料庫的時候緩存欄位等。
7.機器碼，彙編，高級語言
我們知道所有程式必須要編譯機器碼（二進位）才能被電腦識別和執行，我們也知道彙編是對機器碼的抽象，讓我們不用直面枯燥難懂的機器碼，而使用易於人類的語言進行編程。彙編語言也叫作微碼，是CPU廠商為我們暴露出來，通過微碼我們可以進行針對CPU的編程。需要註意的是，不同的CPU架構不同，對於同一操作，其暴露出的微碼也不盡相同。因此針對不同的CPU，我們需要分別對他們進行編程。儘管有些許蛋疼，但總比使用機器碼編程好太多了。
高級語言是對彙編語言更高的抽象，結合一些額外的機制，來彌合CPU之間的不同。然後暴露出公共的API程式員調用，儘管對於這份API，其在不同的平臺下可能會進行不同的實現，但是對於程式員，我們只需調用這個API，就可以實現平臺的相容，而我們自己再也不用考慮硬體的差異性了。
8.CPU的架構
下麵是一些常見的架構：
- ARM：手持硬體設備（安卓，IOS）
- x86：32位平臺
- x64：64位，來自AMD
- 安騰：來自惠普，Intel收購
- Alpha：惠普
- UltraSparc：SUN公司
- Power：IBM
- M68000：摩托羅拉（M68K）
- PowerPC ：IBM
9.CPU怎麼執行一個程式
單核的CPU，在某個時刻只能進行一次運算，為什麼我們的程式看上去是並行執行呢？
這裡需要引入切割機制，切割機制可以分為CPU切割和記憶體切割。
CPU切割：把CPU按照時間片（Slice）切割。比如一個Slice是5ms，那麼每個程式只能運行5ms，下一個5ms就該換一個程式運行了（當然也可能仍然運行這個程式，具體取決於CPU的分配機制）。同時，CPU還應該有一個機制來記錄程式的運行狀態，以便程式在下一次運行的時候可以從先前的狀態繼續執行。
記憶體切割：引入分段機制，想象兩個程式同時運行，而且都從記憶體的某一個編號開始占用（比如0x00000），那麼後面的程式就會破壞掉前面程式的數據。現在引入了記憶體分段的機制，將記憶體分為一塊塊的區域，這些區域內部都從0x00000開始，那麼程式就不會相互干擾了。
10.操作系統
上例中，怎麼保證每個程式在每個時間片中程式都是嚴格執行呢？如果程式賴著不走怎麼辦？
這就需要引入操作系統了，操作系統就是用來對程式進行調度，以及協調其他程式進行工作，是位於硬體和應用軟體之間的中間層。有了操作系統，任何程式都不能直接和硬體打交道，而是要經過操作系統這一中間層進行處理。
同一份程式，在不同的操作系統運行的效果不同的解釋：程式要執行某一個功能，將請求交給操作系統，操作系統通過調用相關的庫來執行，不同的操作系統實現實現某種庫的方式可能不一樣，那麼程式的效果也就不一樣了。
11.Shell
以Windows為例，為什麼雙擊桌面上的圖標就可以運行相應的程式，或則在命令行中輸入calc就可以打開計算器呢？
上面的兩種操作：雙擊圖標和在命令行輸入命令回車，本質上都是指令。我們的指令需要操作系統傳到內核（kernel）中，然後實現程式的運行。接收指令的這個東東，就是人機交互介面（Shell）。Shell包括兩種：
- GUI圖形Shell
- CLI命令行Shell
不管是GUI還是CLI，目的都是向內核傳送指令，實現某項操作，對於內核來說，通過什麼方式傳送指令並不重要。
操作系統內核的功能包括：
- 進程管理（協調）
- 記憶體管理
- 文件系統
- 網路功能
- 硬體驅動
- 安全機制等
12.Linux發行版
終於講到Linux了，照例在此之前應該講講Linux的起源，Unix，Bell實驗室，Apple和Windows等等，但是歷史性的東西並不是這篇博文的重點，這裡就暫且跳過。
Linux是操作系統，也就是軟體，軟體要想運行，就需要編譯成相應的二進位代碼才能運行。
上面我們也談到過，不同的CPU架構，完成某項操作的實現方式可能不同，因此在編譯操作系統的時候不應該出現交叉編譯的情況（比如在AMD上編譯在Intel上運行）。
也就是說，想要在某個平臺上使用操作系統，需要針對這個平臺進行編譯。這無疑增加了學習和使用的難度，作為初學者而言，這是噩夢。於是出現了一些組織，他們來對Linux的源碼和外圍的一些軟體進行編譯集成，然後發行出來，這就是Linux的發行版。這樣的公司或組織有RedHat，Debian等
13.軟體包管理器
早期的軟體都是隨著內核一起打包發佈的，這樣有個明顯的缺點：不利於軟體的管理，如軟體的安裝，卸載等。於是出現了軟體包管理器，用來方便軟體的管理，安裝，卸載等。比較著名的有dpt（debian），rpm（redhat）等。
14.Linux的基本原則
- 組裝：組合功能目的單一的小程式，完成複雜的任務
- 一切皆文件
- 儘量避免捕獲用戶介面（交互），比如輸入ls，馬上列出目錄下的文件，不需要其他操作。
- 配置文件保存為純文本格式——一個簡單的文本編輯器就可以完成所有的功能。
15.命令的構成
基本格式為：命令 = 命題主體 + 選項 + 參數。
命令執行：輸入命令後，由shell將指令發送給kernel，kernel即對該指令進行判斷，決定是否執行。
命令可以跟上選項，用來修正命令的執行方式。格式為：
- 短選項：-單一字元，如 -a，-l，-h
- 長選項：--單詞，如 --help
短選項多個選項可以組合：-a -h 可以組合成 -ah。長選項通常不能組合。
命令的參數：命令的表示命令的作用對象。如：ls -ah /etc 為列出 /etc 目錄下的文件，如果不加參數，預設為當前目錄。
16.一些瑣碎知識
Linux（我這裡使用的是RedHat）下一般有6個終端可以使用，可以按鍵盤組合鍵 ctrl + alt + f1~f6切換。
$ startx & -> 啟用圖形界面。
Linux圖形界面的類型：Gnome（C），KDE（C++），XFace（輕量級圖形界面）。
Linux命令行界面類型：bash csh zsh ksh....
任何跟shell相關的啟動的程式，只要shell關了，這個程式也就關了（這不廢話嗎）。
su：切換用戶（switch user 縮寫）。
su root [-l] ：半切換，完全切換。
passwd：修改密碼，連輸兩次即可。
對於root，可以隨便修改，對於普通用戶，需要滿足密碼複雜性規則。
17.總結
這篇文章主要介紹了CPU和操作系統的簡單工作原理，涉及到的概念有：運算器，控制器，寄存器，匯流排，南北橋，操作系統，shell等。算是對基礎知識的一些總結，由於沒有深刻學習，文章中有很多漏洞，更有許多模糊的知識沒有加以說明。文章組織不夠嚴謹，只是單純的將知識點分條羅列，邏輯性有待加強。
就以這篇文章開始，一步步打開Linux的大門吧。
