鸟哥的Linux私房菜(基础篇)-第零章、计算机概论（零.4）
最近更新日期：2009/08/03 4. 軟件程序運(yùn)作
4.1 機(jī)器程序與編譯程序
4.2 操作系統(tǒng)
4.3 應(yīng)用程序
軟件程序運(yùn)作
鳥(niǎo)哥在上課時(shí)常常會(huì)開(kāi)玩笑的問(wèn)：『我們知道沒(méi)有插電的計(jì)算機(jī)是一堆廢鐵，那么插了電的計(jì)算機(jī)是什么？』答案是：『一堆會(huì)電人的廢鐵』！這是因?yàn)闆](méi)有軟件的運(yùn)作，計(jì)算機(jī)的功能就無(wú)從發(fā)揮之故。就好像沒(méi)有了靈魂的軀體也不過(guò)就是行尸走肉，重點(diǎn)在於軟件/靈魂羅！所以底下咱們就得要了解一下『軟件』是什么。
一般來(lái)說(shuō)，目前的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將軟件分為兩大類(lèi)，一個(gè)是系統(tǒng)軟件，一個(gè)是應(yīng)用程序。但鳥(niǎo)哥認(rèn)為我們還是得要了解一下什么是程序，尤其是機(jī)器程序，了解了之后再來(lái)探討一下為什么現(xiàn)今的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)需要『操作系統(tǒng)』這玩意兒呢！
機(jī)器程序與編譯程序
我們前面談到計(jì)算機(jī)只認(rèn)識(shí)0與1而已，而且計(jì)算機(jī)最重要的運(yùn)算與邏輯判斷是在CPU內(nèi)部，而CPU其實(shí)是具有微指令集的。因此，我們需要CPU幫忙工作時(shí)，就得要參考微指令集的內(nèi)容，然后撰寫(xiě)讓CPU讀的懂得指令碼給CPU執(zhí)行，這樣就能夠讓CPU運(yùn)作了。
不過(guò)這樣的流程有幾個(gè)很麻煩的地方，包括：
- 需要了解機(jī)器語(yǔ)言：機(jī)器只認(rèn)識(shí)0與1，因此你必須要學(xué)習(xí)直接寫(xiě)給機(jī)器看的語(yǔ)言！這個(gè)地方相當(dāng)?shù)碾y呢！
- 需要了解所有硬件的相關(guān)功能函數(shù)：因?yàn)槟愕某绦虮仨氁獙?xiě)給機(jī)器看，當(dāng)然你就得要參考機(jī)器本身的功能，然后針對(duì)該功能去撰寫(xiě)程序碼。例如，你要讓DVD影片能夠放映，那就得要參考DVD光驅(qū)的硬件信息才行。萬(wàn)一你的系統(tǒng)有比較冷門(mén)的硬件，光是參考技術(shù)手冊(cè)可能會(huì)昏倒～
- 程序不具有可攜性：每個(gè)CPU都有獨(dú)特的微指令集，同樣的，每個(gè)硬件都有其功能函數(shù)。因此，你為A計(jì)算機(jī)寫(xiě)的程序，理論上是沒(méi)有辦法在B計(jì)算機(jī)上面運(yùn)作的！而且程序碼的修改非常困難！因?yàn)槭菣C(jī)器碼，并不是人類(lèi)看的懂得程序語(yǔ)言啊！
- 程序具有專(zhuān)一性：因?yàn)檫@樣的程序必須要針對(duì)硬件功能函數(shù)來(lái)撰寫(xiě)，如果已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一支瀏覽器程序，想要再開(kāi)發(fā)檔案管理程序時(shí)，還是得從頭再參考硬件的功能函數(shù)來(lái)繼續(xù)撰寫(xiě)，每天都在和『硬件』挑戰(zhàn)！可能需要天天喝蠻牛了！@_@
那怎么解決啊？為了解決這個(gè)問(wèn)題，計(jì)算機(jī)科學(xué)家設(shè)計(jì)出一種讓人類(lèi)看的懂得程序語(yǔ)言，然后創(chuàng)造一種『編譯器』來(lái)將這些人類(lèi)能夠?qū)懙某绦蛘Z(yǔ)言轉(zhuǎn)譯成為機(jī)器能看懂得機(jī)器碼，如此一來(lái)我們修改與撰寫(xiě)程序就變的容易多了！目前常見(jiàn)的編譯器有C, C++, Java, Fortran等等。機(jī)器語(yǔ)言與高階程序語(yǔ)言的差別如下所示：
圖4.1.1、編譯器的角色
從上面的圖示我們可以看到高階程序語(yǔ)言的程序碼是很容易察看的！鳥(niǎo)哥已經(jīng)將程序碼(英文)寫(xiě)成中文說(shuō)～這樣比較好理解啦！所以這樣已經(jīng)將程序的修改問(wèn)題處理完畢了。問(wèn)題是，在這樣的環(huán)境底下我們還是得要考量整體的硬件系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)程序喔！
舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)你需要將運(yùn)作的數(shù)據(jù)寫(xiě)入內(nèi)存中，你就得要自行分配一個(gè)內(nèi)存區(qū)塊出來(lái)讓自己的數(shù)據(jù)能夠填上去，所以你還得要了解到內(nèi)存的位址是如何定位的，啊！眼淚還是不知不覺(jué)的流了下來(lái)...怎么寫(xiě)程序這么麻煩啊！
為了要克服硬件方面老是需要重復(fù)撰寫(xiě)控制碼的問(wèn)題，所以就有操作系統(tǒng)(Operating System, OS)的出現(xiàn)了！什么是操作系統(tǒng)呢？底下就來(lái)談一談先！
操作系統(tǒng)
如同前面提到的，在早期想要讓計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序就得要參考一堆硬件功能函數(shù)，并且學(xué)習(xí)機(jī)器語(yǔ)言才能夠撰寫(xiě)程序。同時(shí)每次寫(xiě)程序時(shí)都必須要重新改寫(xiě)，因?yàn)橛布c軟件功能不見(jiàn)得都一致之故。那如果我能夠?qū)⑺械挠布简?qū)動(dòng)，并且提供一個(gè)發(fā)展軟件的參考介面來(lái)給工程師開(kāi)發(fā)軟件的話，那發(fā)展軟件不就變的非常的簡(jiǎn)單了？那就是操作系統(tǒng)啦！
- 操作系統(tǒng)核心(Kernel)
操作系統(tǒng)(Operating System, OS)其實(shí)也是一組程序，這組程序的重點(diǎn)在於管理計(jì)算機(jī)的所有活動(dòng)以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的所有硬件。我們剛剛談到計(jì)算機(jī)沒(méi)有軟件只是一堆廢鐵，那么操作系統(tǒng)的功能就是讓CPU可以開(kāi)始判斷邏輯與運(yùn)算數(shù)值、讓主內(nèi)存可以開(kāi)始載入/讀出數(shù)據(jù)與程序碼、讓硬盤(pán)可以開(kāi)始被存取、讓網(wǎng)絡(luò)卡可以開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)、讓所有周邊可以開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)等等。總之，硬件的所有動(dòng)作都必須要透過(guò)這個(gè)操作系統(tǒng)來(lái)達(dá)成就是了。
上述的功能就是操作系統(tǒng)的核心(Kernel)了！你的計(jì)算機(jī)能不能做到某些事情，都與核心有關(guān)！只有核心有提供的功能，你的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)才能幫你完成！舉例來(lái)說(shuō)，你的核心并不支持TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)協(xié)定，那么無(wú)論你購(gòu)買(mǎi)了什么樣的網(wǎng)卡，這個(gè)核心都無(wú)法提供網(wǎng)絡(luò)能力的！
但是單有核心我們使用者也不知道能作啥事的～因?yàn)楹诵闹饕诠芸赜布c提供相關(guān)的能力(例如網(wǎng)絡(luò)功能)，這些管理的動(dòng)作是非常的重要的，如果使用者能夠直接使用到核心的話，萬(wàn)一使用者不小心將核心程序停止或破壞，將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰！因此核心程序所放置到內(nèi)存當(dāng)中的區(qū)塊是受保護(hù)的！并且開(kāi)機(jī)后就一直常駐在內(nèi)存當(dāng)中。
| Tips: 所以整部系統(tǒng)只有核心的話，我們就只能看著已經(jīng)準(zhǔn)備好運(yùn)作(Ready)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，但無(wú)法操作他！好像有點(diǎn)望梅止渴的那種感覺(jué)啦！這個(gè)時(shí)候就需要軟件的幫忙了！ |
- 系統(tǒng)呼叫(System Call)
既然我的硬件都是由核心管理，那么如果我想要開(kāi)發(fā)軟件的話，自然就得要去參考這個(gè)核心的相關(guān)功能！唔！如此一來(lái)不是從原本的參考硬件函數(shù)變成參考核心功能，還是很麻煩啊！有沒(méi)有更簡(jiǎn)單的方法啊！
為了解決這個(gè)問(wèn)題，操作系統(tǒng)通常會(huì)提供一整組的開(kāi)發(fā)介面給工程師來(lái)開(kāi)發(fā)軟件！工程師只要遵守該開(kāi)發(fā)介面那就很容易開(kāi)發(fā)軟件了！舉例來(lái)說(shuō)，我們學(xué)習(xí)C程序語(yǔ)言只要參考C程序語(yǔ)言的函式即可，不需要再去考量其他核心的相關(guān)功能，因?yàn)楹诵牡南到y(tǒng)呼叫介面會(huì)主動(dòng)的將C程序語(yǔ)言的相關(guān)語(yǔ)法轉(zhuǎn)成核心可以了解的任務(wù)函數(shù)，那核心自然就能夠順利運(yùn)作該程序了！
如果我們將整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的相關(guān)軟/硬件繪制成圖的話，他的關(guān)系有點(diǎn)像這樣：
圖4.2.1、操作系統(tǒng)的角色
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要由硬件構(gòu)成，然后核心程序主要在管理硬件，提供合理的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源分配(包括CPU資源、內(nèi)存使用資源等等)，因此只要硬件不同(如x86架構(gòu)與RISC架構(gòu)的CPU)，核心就得要進(jìn)行修改才行。而由於核心只會(huì)進(jìn)行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的資源分配，所以在上頭還需要有應(yīng)用程序的提供，使用者才能夠操作系統(tǒng)的。
為了保護(hù)核心，并且讓程序設(shè)計(jì)師比較容易開(kāi)發(fā)軟件，因此操作系統(tǒng)除了核心程序之外，通常還會(huì)提供一整組開(kāi)發(fā)介面，那就是系統(tǒng)呼叫層。軟件開(kāi)發(fā)工程師只要遵循公認(rèn)的系統(tǒng)呼叫參數(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)軟件，該軟件就能夠在該核心上頭運(yùn)作。所以你可以發(fā)現(xiàn)，軟件與核心有比較大的關(guān)系，與硬件關(guān)系則不大！硬件也與核心有比較大的關(guān)系！至於與使用者有關(guān)的，那就是應(yīng)用程序啦！
| Tips: 在定義上，只要能夠讓計(jì)算機(jī)硬件正確無(wú)誤的運(yùn)作，那就算是操作系統(tǒng)了。所以說(shuō)，操作系統(tǒng)其實(shí)就是核心與其提供的介面工具，不過(guò)就如同上面講的，因?yàn)樽詈?jiǎn)單的核心缺乏了與使用者溝通的親和介面，所以在目前，一般我們提到的『操作系統(tǒng)』都會(huì)包含核心與相關(guān)的使用者應(yīng)用軟件呢！ |
簡(jiǎn)單的說(shuō)，上面的圖示可以帶給我們底下的概念：
- 操作系統(tǒng)的核心層直接參考硬件規(guī)格寫(xiě)成，所以同一個(gè)操作系統(tǒng)程序不能夠在不一樣的硬件架構(gòu)下運(yùn)作。舉例來(lái)說(shuō)，個(gè)人計(jì)算機(jī)版的Windows XP不能直接在RISC架構(gòu)的計(jì)算機(jī)下運(yùn)作。所以您知道為何Windows XP又分為32位及64位的版本了吧？因?yàn)?2/64位的CPU指令集不太相同，所以當(dāng)然要設(shè)計(jì)不同的操作系統(tǒng)版本了。
- 操作系統(tǒng)只是在管理整個(gè)硬件資源，包括CPU、內(nèi)存、輸入輸出裝置及檔案系統(tǒng)檔。如果沒(méi)有其他的應(yīng)用程序輔助，操作系統(tǒng)只能讓計(jì)算機(jī)主機(jī)準(zhǔn)備妥當(dāng)(Ready)而已！并無(wú)法運(yùn)作其他功能。所以你現(xiàn)在知道為何Windows XP上面要達(dá)成網(wǎng)頁(yè)影像的運(yùn)作還需要類(lèi)似PhotoImpact或Photoshop之類(lèi)的軟件安裝了吧？
- 應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)都是參考操作系統(tǒng)提供的開(kāi)發(fā)介面，所以該應(yīng)用程序只能在該操作系統(tǒng)上面運(yùn)作而已，不可以在其他操作系統(tǒng)上面運(yùn)作的。現(xiàn)在您知道為何去購(gòu)買(mǎi)線上游戲的光盤(pán)時(shí)，光盤(pán)上面會(huì)明明白白的寫(xiě)著該軟件適合用於哪一種操作系統(tǒng)上了吧？也該知道某些游戲?yàn)楹尾荒軌蛟贚inux上面安裝了吧？
- 核心功能
既然核心主要是在負(fù)責(zé)整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相關(guān)的資源分配與管理，那我們知道其實(shí)整部計(jì)算機(jī)系統(tǒng)最重要的就是CPU與主內(nèi)存，因此，核心至少也要有這些功能的：
- 系統(tǒng)呼叫介面(System call interface)
剛剛談過(guò)了，這是為了方便程序開(kāi)發(fā)者可以輕易的透過(guò)與核心的溝通，將硬件的資源進(jìn)一步的利用，於是需要有這個(gè)簡(jiǎn)易的介面來(lái)方便程序開(kāi)發(fā)者。
- 程序管理(Process control)
總有聽(tīng)過(guò)所謂的『多工環(huán)境』吧？一部計(jì)算機(jī)可能同時(shí)間有很多的工作跑到CPU等待運(yùn)算處理，核心這個(gè)時(shí)候必須要能夠控制這些工作，讓CPU的資源作有效的分配才行！另外，良好的CPU排程機(jī)制(就是CPU先運(yùn)作那個(gè)工作的排列順序)將會(huì)有效的加快整體系統(tǒng)效能呢！
- 內(nèi)存管理(Memory management)
控制整個(gè)系統(tǒng)的內(nèi)存管理，這個(gè)內(nèi)存控制是非常重要的，因?yàn)橄到y(tǒng)所有的程序碼與數(shù)據(jù)都必須要先存放在內(nèi)存當(dāng)中。通常核心會(huì)提供虛擬內(nèi)存的功能，當(dāng)內(nèi)存不足時(shí)可以提供內(nèi)存置換(swap)的功能哩。
- 檔案系統(tǒng)管理(Filesystem management)
檔案系統(tǒng)的管理，例如數(shù)據(jù)的輸入輸出(I/O)等等的工作啦！還有不同檔案格式的支持啦等等，如果你的核心不認(rèn)識(shí)某個(gè)檔案系統(tǒng)，那么您將無(wú)法使用該檔案格式的檔案羅！例如：Windows 98就不認(rèn)識(shí)NTFS檔案格式的硬盤(pán)；
- 裝置的驅(qū)動(dòng)(Device drivers)
就如同上面提到的，硬件的管理是核心的主要工作之一，當(dāng)然羅，裝置的驅(qū)動(dòng)程序就是核心需要做的事情啦！好在目前都有所謂的『可載入模組』功能，可以將驅(qū)動(dòng)程序編輯成模組，就不需要重新的編譯核心啦！這個(gè)也會(huì)在后續(xù)的第二十章當(dāng)中提到的！
| Tips: 事實(shí)上，驅(qū)動(dòng)程序的提供應(yīng)該是硬件廠商的事情！硬件廠商要推出硬件時(shí)，應(yīng)該要自行參考操作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)介面，開(kāi)發(fā)完畢后將該驅(qū)動(dòng)程序連同硬件一同販賣(mài)給使用者才對(duì)！舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)你購(gòu)買(mǎi)顯示卡時(shí)，顯示卡包裝盒都會(huì)附上一片光盤(pán)，讓你可以在進(jìn)入Windows之后進(jìn)行驅(qū)動(dòng)程序的安裝啊！ |
- 操作系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)程序
老實(shí)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)程序可以說(shuō)是操作系統(tǒng)里面相當(dāng)重要的一環(huán)了！不過(guò)，硬件可是持續(xù)在進(jìn)步當(dāng)中的！包括主機(jī)板、顯示卡、硬盤(pán)等等。那么比較晚推出的較新的硬件，例如顯示卡，我們的操作系統(tǒng)當(dāng)然就不認(rèn)識(shí)羅！那操作系統(tǒng)該如何驅(qū)動(dòng)這塊新的顯示卡？為了克服這個(gè)問(wèn)題，操作系統(tǒng)通常會(huì)提供一個(gè)開(kāi)發(fā)介面給硬件開(kāi)發(fā)商，讓他們可以根據(jù)這個(gè)介面設(shè)計(jì)可以驅(qū)動(dòng)他們硬件的『驅(qū)動(dòng)程序』，如此一來(lái)，只要使用者安裝驅(qū)動(dòng)程序后，自然就可以在他們的操作系統(tǒng)上面驅(qū)動(dòng)這塊顯示卡了。
圖4.2.2、驅(qū)動(dòng)程序與操作系統(tǒng)的關(guān)系
由上圖我們可以得到幾個(gè)小重點(diǎn)：
- 操作系統(tǒng)必須要能夠驅(qū)動(dòng)硬件，如此應(yīng)用程序才能夠使用該硬件功能；
- 一般來(lái)說(shuō)，操作系統(tǒng)會(huì)提供開(kāi)發(fā)介面，讓開(kāi)發(fā)商制作他們的驅(qū)動(dòng)程序；
- 要使用新硬件功能，必須要安裝廠商提供的驅(qū)動(dòng)程序才行；
- 驅(qū)動(dòng)程序是由廠商提供的，與操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者無(wú)關(guān)。
所以，如果你想要在某個(gè)操作系統(tǒng)上面安裝一張新的顯示卡，那么請(qǐng)要求該硬件廠商提供適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)程序吧！^_^！ 為什么要強(qiáng)調(diào)『適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)程序』呢？因?yàn)轵?qū)動(dòng)程序仍然是依據(jù)操作系統(tǒng)而開(kāi)發(fā)的， 所以，給Windows用的驅(qū)動(dòng)程序當(dāng)然不能使用於Linux的環(huán)境下了。
應(yīng)用程序
應(yīng)用程序是參考操作系統(tǒng)提供的開(kāi)發(fā)介面所開(kāi)發(fā)出來(lái)軟件，這些軟件可以讓使用者操作，以達(dá)到某些計(jì)算機(jī)的功能利用。舉例來(lái)說(shuō)，辦公室軟件(Office)主要是用來(lái)讓使用者辦公用的；影像處理軟件主要是讓使用者用來(lái)處理影音數(shù)據(jù)的；瀏覽器軟件主要是讓使用者用來(lái)上網(wǎng)瀏覽用的等等。
需要注意的是，應(yīng)用程序是與操作系統(tǒng)有關(guān)系的，如同上面的圖示當(dāng)中的說(shuō)明喔。因此，如果你想要購(gòu)買(mǎi)新軟件，請(qǐng)務(wù)必參考軟件上面的說(shuō)明，看看該軟件是否能夠支持你的操作系統(tǒng)啊！舉例來(lái)說(shuō)，如果你想要購(gòu)買(mǎi)線上游戲光盤(pán)，務(wù)必參考一下該光盤(pán)是否支持你的操作系統(tǒng)，例如是否支持Windows XP/Windows Vista/MAC/Linux等等。不要購(gòu)買(mǎi)了才發(fā)現(xiàn)該軟件無(wú)法安裝在你的操作系統(tǒng)上喔！
我們拿常見(jiàn)的微軟公司的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)明。你知道Windows XP, Office 2007之間的關(guān)系了嗎？
- Windows XP是一套操作系統(tǒng)，他必須先安裝到個(gè)人計(jì)算機(jī)上面，否則計(jì)算機(jī)無(wú)法開(kāi)機(jī)運(yùn)作；
- Windows 98與Windows XP是兩套不同的操作系統(tǒng)，所以能在Win 98上安裝的軟件不見(jiàn)得可在WinXP上安裝；
- Windows XP安裝好后，就只能擁有很少的功能，并沒(méi)有辦公室軟件；
- Office 2007是一套應(yīng)用程序，要安裝前必須要了解他能在哪些操作系統(tǒng)上面運(yùn)作。
出處：http://vbird.dic.ksu.edu.tw/linux_basic/0105computers_4.php
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的鸟哥的Linux私房菜(基础篇)-第零章、计算机概论（零.4）的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。
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