【Mark】计算机科学导论

• 值得记的

第1章 绪论

• 计算机是一种能按照事先存储的程序，自动地、高速地、精确地进行大量数值计算，并且具有存储能力、逻辑判断能力、可靠性能的数字化信息处理的现代化智能电子设备
• 1946.2，美国宾夕法尼亚大学莫尔学院，人类历史上第一台电子数字计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Computer）诞生
• 冯・诺依曼思想核心：
  ①五大部分，运算器、控制器、存储器、输入输出设备（以运算器为中心）
  ②采用二进制形式表示数据和指令
  ③设计思想，二进制和存储程序
• 第一代计算机(46~57)，电子管；磁控电子管有微波加热现象
• 第二代计算机(58~64)，晶体管；内存磁芯体，外存磁带磁盘；开始出现系统软件
• 第三代计算机(65~70)，集成电路(IC)；内存半导体；中规模集成电路(MIS)
• 第四代(72~)，大规模、超大、特大。。。；单个硅晶片，集成十万个以上晶体管，百万级，93年破千万
• 按综合性能指标分为：巨型机(Supercomputer)、大型机(Mainframe)、小型机(Minicomputer)、微型机(Microcomputer)、工作站(Workstation)；
  微型机，个人计算机，微处理器MPU(Microprocessing Unit)
• 计算机语言：
  第一代，机器语言，二进制编码，低效、难读、难懂、难改
  第二代，汇编语言，字符、符号，执行效率高
  第三代，高级语言，面向用户，与自然语言接近，与硬件分离
  第四代，面向对象，更易编程和重用
• 网络游戏，OnlineGame，简称“网游”
  以互联网为传输媒介，以游戏运营商服务器和用户计算机为处理终端，以游戏客户端软件为信息交互窗口的旨在实现娱乐、休息、交流和取得虚拟成就的具有可持续性的个体性多人在线游戏
• 美国的 twitter 是最早的博客
• 电子计算机特点：
  极高的速度进行运算和逻辑判断
  具有过去计算工具无法比拟的计算精度（采用的二进制位数越多越精确）
  具有 “记忆”和逻辑判断的能力，因此能先把输入的程序和数据存储起来，在运行时再将程序和数据取出，进行翻译、判断、执行，从而实现工作自动化
  可靠性高，人很容易因疲劳而出错
  通用性强，计算机可以将任何复杂的信息处理任务分解成一系列的基本算术运算和逻辑运算，反应在计算机的指令操作，按照各种规律要求的先后次序把他们组织成各种不同的程序，存入存储器中
• 国际标准化组织（International Organization for Standardization），简称却为 ISO；与国际电工委员会（IEC）有密切联系，都不是联合国机构
• 美国电气和电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers），简称 IEEE，由37个协会组成，制定了全世界电子和电气还有计算机科学领域 30%的文献，另外还制定了 超过900个现行工业标准
• ACM美国计算机协会（Association for Computing Machinery），世界上最大的科学教育计算机组织，就像一个伞，为其所有成员提供信息，包括最新的尖端科学的发展，从理论到应用的转换，提供交换信息的机会
  ACM国际大学生程序设计竞赛（ACM International Collegiate Programming Contest，ACM-ICPC或ICPC），三名队员一台电脑，五小时内完成7道以上题目
• 中国计算机协会（CCF），1962
• 冯・诺依曼（John Von Neumann），计算机之父
  预言二进制的采用将大大简化机器的逻辑线路；
  现在的计算机基本工作原理是存储程序和程序控制（不必每个问题都重新编程）
• 艾伦・麦席森・图灵（Alan Mathison Turing），计算机科学之父
  “图灵机”，一种思想模型，可制造一种十分简单但运算能力极强的计算装置，用来计算所有能想象得到的可计算函数；与 “冯・诺依曼机” 齐名。
  因发表划时代之作 “机器能思考吗” 论文，被称为人工智能之父
• 计算科学（discipline of computing），包括计算机科学和工程
  计算机科学注重分析和抽象；计算机工程注重抽象和设计
• 电子计算机，被公认为是现代技术的神经中枢，是未来信息社会的心脏和灵魂
• 研究领域：
  冯・诺依曼系统结构决定了传统程序设计风格的缺陷，逐字工作方式，语言臃肿无力，缺少必要的数学性质（设计新一代语言）
  软件复杂性无法控制的主要原因在于软件开发的非形式化，程序的开发过程应是一种基于形式推理的形式化构造过程（形式化软件构造方法）
  各种计算机辅助技术，
  CAD(Computer Aided Design 计算机辅助设计)、
  CAM(Computer Aided Manufacturing 计算机辅助制造)、
  CAT(Computer Aided Translation 计算机辅助翻译)、
  CAE(Computer Aided Engineering 计算机辅助工程)、
  CIM(Computer Integrated Manufacturing 计算机集成化制造)
• 图灵奖，“A・M・图灵奖”，计算机界诺贝尔奖
• IEEE-CS的计算机先驱奖（Computer Pioneer Award），获奖者成果必须是在15年之前完成的。。。

第2章 数据的存储与表示

• 信息是有意义的，而数据没有，
• 数据是信息的载体；通常两个词不严格区分
• 在计算机系统内部，数值运算用二进制数字，非数值型信息用二进制编码
• 字长，由一个字节或若干字节组成，字长越长，性能越好（决定处理速度）
• 为了便于存放、查找和使用，每个存储单元必须有唯一的编号，称之为地址
• 基数，称R为数制的基数，简称基或底
• 位权，数值中每个固定位置对应的单位，是以R为底的幂
• 十进制转换为其他进制，以二进制为例，整数部分除2倒取余，小数部分乘2正取整
• 在机器中使用的包括符号在内的数字化的数称为机器数，它所代替的实际值称为其真值
• 为便于运算，引入原码、反码、补码，实质是对负数表示的不同编码
• 0的编码不唯一
• 反码：原码到补码的中间产物
• 负数：原码除符号位外取反–> 反码 末尾加1–> 补码
• 链接：杂谈—— -128的补码为什么是10000000.
  链接：-128的补码.
• 定点整数或小数所允许表示的数值范围有限，有上溢和下溢，运算精度较低，对机器硬件要求不高
• 等字节长度表示的浮点数的精度和表示范围远大于定点数
• 标准ASCII码是7位二进制编码，字节最高位为0
• 区位码，行为区，列为位，共94行、94列；区号位号各加(32)₁₀ 或 区位码 + 2020H = 国标码
• 机内码 = 国标码 + 8080H = 区位码 + A0A0H；
• 机内码–> 地址码–> 字形码–> 汉字输出

第3章 计算机硬件系统

• 总体：
  
• 微型计算机，简称 微机
• 计算机硬件系统，指物理设备，一般 = 主机 + 外设
  主机 = 中央处理器(CPU) + 内存储器
  中央处理器(central processing unit) = 运算器 + 控制器
  外设(I/O) = 输入设备(In) + 输出设备(Out)
• 运算器，进行算术运算和逻辑运算
  = 算术逻辑单元(Arithmetic and Logical Unit) + 累加器(ACC) + 通用寄存器组
  运算器具有惊人的运算速度
• 控制器，控制程序和数据的输入/输出，以及各部件间协调运行；对指令进行分析，做出相应控制
  = 程序计数器 + 指令寄存器 + 指令译码器 + 其他控制单元
• 通常将CPU及其附属部分以较小尺寸集成于一个大规模芯片中，该芯片称为微处理器(Microprocessor Unit，MPU)
• 存储器，用来保存程序和数据
  计算机中的全部信息，都存放在存储器中
• 输入设备(Input Device)，输入数据和信息的设备
  接受计算机外部的数据并且转换成为计算机使用的二进制编码
• 输出设备，用于数据的输出（转化形式）
• 计算机工作原理
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  自动运行的原因，采用二进制 + 程序存储；
  程序存储，就是将程序预先存入存储器中，工作时自动从中读取指令并执行；
  据此工作原理构成的计算机称为冯・诺依曼结构计算机；
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  首先，在控制器控制下输入原始数据和计算步骤到存储器，
  其次，控制器从存储器中读取计算步骤(指令系列)；
  然后，控制器控制运算器和存储器依次执行每一个步骤(指令)；
  最后，控制输出；
• 计算机工作的过程本质上就是执行程序的过程
  程序是若干条指令的有序排列
  指令是制定计算机执行特定操作的命令
  计算机指令系统，包含全部指令，准确定义了计算机的处理能力
• 复杂指令系统计算机(Complex Instruction Set Computer)，指令系统多达几百条
  采用了大量使用频率很低的复杂指令，使硬件资源浪费
• 精简指令系统计算机( Reduced Instruction Set Computer)，便于超大规模集成电路技术实现
  大部分复杂的操作则使用成熟的编译技术，由简单指令合成

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• 中央处理器，又称CPU，就像人的大脑
  发展迅速，三十多年时间，
  生产技术，从最初的8088(集成29000个晶体管)，到Pentium3系列(集成2810万个)，到Intel五代酷睿系列(集成19亿)
  运行速度，从8088(0.75MIPS(百万个指令每秒))，到高能奔腾(1000MIPS)，到现在的十万级MIPS
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  CPU内核，金属封装壳；
  周围是基板，承载内核的电路板，负责内核芯片和外界的一切通信
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  CPU发热很大，CPU散热器，分为风冷、热管、水冷
  风冷 = 散热片 + 风扇，热管 = 极高导热性能的传热元器件，通常 风冷 + 热管
  水冷 = 液体在泵带动下强制循环
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  CPU性能，最重要指标是 主频 、 字长参数
  • 主频，也叫 CPU核心 工作的时钟频率(CPU Clock Speed)，单位MHz，GHz
    是指脉冲信号振荡的频率，不是其运算速度，与实际运算能力没有直接关系，与实际运算速度有一定关系；
    周期，脉冲信号之间的时间间隔
    频率，单位时间内的脉冲个数
  • 字长，一次可以运算的数据长度称为一个字(word)，字的长度称为字长
  • 高速缓冲存储器(Cache)，简称缓存，其结构和大小对CPU速度影响非常大
    Cache工作原理，保存CPU最常用数据，Cache速度与CPU相当
    只有Cache中不含CPU所存数据时，CPU才去访问主存
    L1 Cache：一级缓存，在内置在CPU内部，与CPU同速，制造成本很高（32-256KB）
    L2 Cache：一级缓存的缓存，分内外芯片，内置芯片运行速度 = 主频，外芯片 = 1/2主频（16MB）
    L3 Cache：三级缓存，降低内存延迟，提升大数据量计算能力（25MB）
  • 超流水线，不同功能的电路单元组成一条处理指令的流水线，一条指令分开后分别执行，一个周期就可以完成，通过细化流水、提高主频
  • 超标量，多条流水线，流水线过长的副作用：主频较高，实际运算速度较低
    同时运行多条指令，一个周期就能完成多条指令
  • 每款CPU在设计时就规定了一系列与其硬件电路相配合的指令集；为提升性能，增加一些特殊的指令，这就是CPU扩展指令集
  • CPU的浮点单元(协处理器)，增强浮点运算，对多媒体指令进行了优化；比如Intel的MMX技术(MMX，多媒体扩展指令集)
  • 乱序执行，根据 各单元电路的空闲状态和各指令能否提前执行 分析，不按规定顺序执行指令，将结果按原程序顺序排列后返回程序；目的是为了让CPU内部电路满负荷运转，（几乎所有CPU都采用了该技术）
  • 奔腾芯片上内置了一个分支目标缓存器，能动态预测程序分支的转移情况，从而使流水线保持较高的吞吐率 （分支预测）
  • 工作电压，分为CPU核心电压 与 I/O电压
    低工作电压降低CPU总功耗，使发热量减少，默认电压一般在1V左右
  • 制造工艺越精细，CPU可以达到的频率越高，集成的晶体管更多
    第1代奔腾(0.35μm，266MHz)，2代(0.25μm，450MHz)，3代(0.18μm，1.13GHz)，目前(14~32nm)
• 运算器 = ALU (运算器的核心) + 寄存器组
  • 加法器(ALU的核心)，并辅以移位和控制逻辑；
    可进行：
    算术运算：+ - * / 绝对值等
    逻辑运算：泛指非算术性质的运算；
    有两个输入，一个输出，一个控制信号；
    ---- 累加器，提供工作区，存放运算的结果信息
  • 寄存器组，存所需操作数和运算结果，分为数据缓冲寄存器(DR) 和 状态条件寄存器
    DR：用来暂时存放由内存储器读出的一条指令或一个数据字
    后者用来保存指令运行结果的各种状态信息
• 控制器 = 程序计数器 PC (Programming Counter) + 指令寄存器 IR (Instruction Register) + 指令译码器 ID (Instruction Decoder) + 时序产生器 + 操作控制器
  （大体可分为指令、时序、控制三类）
  • 计算机只能执行存放在内存中的程序
  • 指令部件，包含 PC、IR、ID
    PC，若干触发器 + 逻辑门电路，用来存放 将要执行的指令 在存储器中的 存放地址，
    指令执行时，PC自动+1，指向下一条指令的地址；
    遇到转移指令时，PC内容被指定地址取代
    IR，若干触发器组成，用来存放从存储器取出的 指令；
    ID，门组合线路组成，用来实现对指令操作码的译码工作
  • 指令 = 操作码字段(OP) + 地址码字段(A) 两部分构成
    OP，指明操作功能；A，或称操作数字段，指明操作数
  • 时序部件，用来对各种操作控制信号进行定时，进行时间上的控制
  • 操作控制部件，所有硬件中设计难度最大的部件
    分为三种：
    组合逻辑型，门电路 + 寄存器，采用硬连线控制
    存储逻辑型，采用微程序控制方式，将 一条指令 分解为多条微指令组成的序列(微程序)，由一段微程序完成多个微操作来完成一条指令的功能
    可编程逻辑阵列，组合逻辑和存储逻辑相结合的方式，两者都可实现
• 微机的四个基本操作（每执行一条指令）
  1.控制器从存储程序的内存中取出要执行的指令，
  2.送到指令译码器中，经过分析译码产生一串操作命令
  3.发送到各相关部件，使它们执行该指令所规定任务
  4.为下一条指令做好准备

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• 存储设备， 分为主存储器和外存储器两大类
  • 主存储器，也称主存、内存，用来存放计算机的运行程序和处理的数据
  • 按工作原理分为，随机存储器(Random Access Memory) 和 只读存储器(Read Only Memory)
  • RAM，可读写，存储的数据在断电时会丢失，分为 动态随机存储器(Dynamic RAM) 和 静态随机存储器(Static RAM)
    • DRAM，用电容的充放电来完成存储操作（充电时为1，放电时为0）
      电容上的电荷会通过电路内部的漏电阻和分布电容缓慢放电，必须每几微秒就要刷新存储元件一次（增加电荷）
      集成度高、结构简单、生产成本低，被广泛使用，如内存条
    • SRAM，数据可以长期存放而不需要刷新，速度更快，但结构复杂、造价高
  • ROM，断电无影响，内部信息在脱机状态下由专门设备写入
    分为四类：
    • 固定掩模式 ROM (Mask ROM)，用户不能更改
    • 可编程只读存储器 PROM (Programmable ROM)，用户通过特殊的可编程设备将所需程序写入芯片中（只能进行一次编程）
    • 可擦除编程只读存储器 EPROM (Erasable Programmable ROM) ，可以通过紫外线照射将所有信息擦除，重新通过可编程设备写入信息
    • 电可擦除编程存储器 EEPROM (Electrically EPROM) ，不需要特殊的可编程设备，可进行数百万次的编程
  • 内存最重要的性能指标，存储速度(存取一次数据的时间)、存储容量(内存条的存储容量)
  • 内存类型，主要有三种：
    • SDRAM(Synchronous(同步) DRAM) ，已退出主流市场
    • DDR，全称DDR SDRAM (Double Date Rate(双倍速率) ) ，是现在主流内存规范
      DDR1，DDR2，DDR3，DDR4
      DDR1内存采用了双倍并发，即双倍速内存，同核心频率下，速度是SDRAM内存的两倍
      DDR2，采用四倍并发；DDR3，采用八倍并发；
      DDR4理论速度能达到DDR3的2倍，且更节能
    • RDRAM(Rambus DRAM) ，Rambus公司开发的新型DRAM，彻底改变了内存的传输模式，不过价格高昂
  • 外存储设备，也称辅助存储设备、外存，用于长期保存数据
    • 当前主要外存设备，硬盘，通过电子方法可以控制硬盘表面的磁化，以达到记录信息的目的
    • 硬盘的核心机械结构依然没有脱离Winchester技术的定义：密封、固定并高速旋转的镀磁盘片，磁头沿盘片径向移动，磁头悬浮在高速旋转的盘片上，不与盘片直接接触
      • 磁盘的主轴组件 = 轴承 + 马达；轴承决定噪音表现，马达决定性能
      • 数据写入磁盘，根据电生磁，电流方向改变时，磁场极性也改变
      • 一个盘片有两个盘面，每个有效盘面对应一个读写磁头
      • 磁盘在格式化时，被分为许多同心圆，其轨迹即磁道，从外向内从0开始编号
      • 信息以脉冲串的形式记录在磁道中，同心圆不是连续记录，被分成一段段的圆弧，角速度一样，称为扇区，从1开始编号，每个扇区的数据作为一个单元同时读出写入
      • 所有盘面的同一磁道构成一个圆柱，称为柱面
        因选取磁头只需电子切换，选取柱面必须机械切换，所以读写数据按柱面进行，不按盘面进行
    • 公式：存储容量 = 磁头数 × 磁道(柱面)数 × 每道扇区数 × 每扇区字节数
    • 光盘，通过激光信号读写信息
      按性能分为 CD-ROM、WROM、可擦写型光盘
      按存储信息格式分为 普通数据光盘、CD(Compact Disk)、VCD(Video)、SVCD(Super)、DVD(Digit Video Disk)等
    • 光盘的工作原理是利用光盘上的凹坑记录数据，利用凹坑的边缘来记录1
    • 闪存，Flash Memory，又称U盘，输入内存器件的一种，不过是不挥发性(Non-Volatile)内存，存储特性相当于硬盘；具有即插即用功能（用的就是EEPROM技术）
    • 目前各类DDR、SDRAM、RDRAM都属于挥发性内存，只要停止电流供应，内存中的数据便无法保持，每次电脑开机都需要把数据重新载入
    • 移动硬盘(Mobile Hard disk) = 硬盘 + 硬盘盒(带有USB或IEEE1394接口)，主流还是以标准笔记本硬盘为基础，2.5寸可用于笔记本硬盘，能提供容量达4TB
    • USB1.1支持12Mbps，已淘汰；
      USB2.0理论速度为480Mbps；
      USB3.0理论传输速度可达4.8Gb/s；
      IEEE1394最高支持1Gb/s

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• 输入输出设备 I/O（Input/Output），将外部世界信息发送给计算机的设备 + 将处理结果返回给外部世界的设备的总称（信息形式的转换）
• 都通过系统总线与主机连接通信
• 输入设备 (Input Device)，将数字、文字、图像等转换为二进制“编码”
  • 所谓蓝牙技术，就是短距离无线电技术，可有效简化移动设备终端之间以及Internet之间的通讯；
    蓝牙5.0数据传输标准，24Mbps
  • 鼠标，可以对当前屏幕上的游标进行定位，并通过按键和滚轮装置对游标经过位置的屏幕元素进行操作
    机械鼠标，下面有个小圆球，已淘汰
    光电鼠标器，用光电传感器代替了滚球；通过检测鼠标器的位移，将位移信号转换为电脉冲信号，再通过程序的处理和转换来控制屏幕上的光标箭头的移动；第三代将红光LED换成了激光
  • 触摸屏，是一种可接收触头等输入讯号的感应式液晶显示装置；
    一般 = 传感器单元 (处理用户选择) + 控制器 (感知触摸并定位) + 软件设备驱动 (传送触摸信号)
    分为电阻式、电流感应式、红外线式、表面声波式，前两种是主流
  • 条形码阅读器，用于读取条码所包含的信息
    条码是由一组规则排列的条、空及对应字符组成的标记；条的反射率低于空的反射率
    用光敏元件接受反射光，得到高低不同的电平信号，经译码装置转换为一组数字信号。
• 输出设备 (Output Device)，把计算机加工处理的二进制信息转换为用户或其他设备所需要的信息形式输出
  • 液晶显示器 LCD (Liquid Crystal Display)，根据背光源分为 CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamp 冷阴极荧光灯管) 和 LED (Light Emitting Diode 发光二极管)；后者体积小、功耗低，为主流
    主要部件液晶板，由两块1mm无钠玻璃构成，中间夹5μm厚的液晶材料；液晶层中的液滴被包含在细小的单元结构中，一个或多个单元格构成一个像素
    显示分辨率，显示器屏幕上可控制的最小光点称为像素，X方向和Y方向总的像素点数称为分辨率；分辨率越高，越清晰
    刷新频率，指显示帧频，亦即每个像素为该频率所刷新的时间，与屏幕扫描速度及避免屏幕闪烁的能力有关；普通LCD为60Hz（每秒钟内屏幕画面刷新的次数）
    点距，屏幕上荧光点的距离（点距越小越好）
    屏幕尺寸，对角线长度，以英寸为单位
    光源亮度决定整个LCD的画面亮度及色彩的饱和度，单位 每平方米烛光 (cd/m²)，也叫NIT流明，亮度越高，适应的使用环境越广泛，
    对比度，是黑白两种色彩不同层次的对比量度，也是直接关系色彩是否丰富的技术参数，越高越好
  • 打印机，主要分为点阵式、喷墨式、激光打印机
    3D打印机，是一种以数字模拟文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术；将三维制造转化为一系列二维制造的叠加，因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性

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• 主板，也叫母板，其制造质量的高低，决定了硬件系统的稳定性，每一次CPU的重大升级，必然导致主板的换代
  • 主板是计算机硬件系统的核心，是主机箱内面积最大的一块印刷电路板；主要功能是传输各种电子信号
  • 主板结构，主板上各种元器件的布局排列、尺寸大小、形状等都有一定的标准
    分为，ATX(标准板)、micro-ATX(小板)、mini-ITX(紧凑微型化)、Extended-ATX(扩展)
  • SATA接口（Serial ATA）又称串行ATA，以连续串行的方式传送数据，一次只能传送一位数据，减少接口针脚数目，可在较少位宽下得到较高的工作频率，从而提高了数据传输的带宽
    使用SATA接口的串口硬盘，已逐步取代IDE接口的并口硬盘
  • 主板上的电池是用来给 CMOS RAM 供电的，以便关机后保存CMOS中设置的数据（时间、日期、硬盘类型等），若将CMOS电池取下，BIOS中数据被恢复为出厂设置
  • CPU需要通过某个接口与主板连接才能工作，常用针脚式接口，对应到主板上有相应的插槽类型
    Intel 常见的插槽类型 LGA (Land Grid Array)，弹性针脚并位于CPU插座上，处理器上仅有接触点
    有些插槽采用ZIF (Zero Insertion Force 零拔插力)设计
  • 主板的核心，主板芯片组，决定主板的规格、性能、大致功能；芯片组若不能与CPU良好的协同工作，将严重影响计算机整体性能，甚至不能正常工作
  • 北桥芯片（主桥），系统控制芯片，主要负责CPU、内存、显卡之间的数据交换，在芯片组中起主导作用；如今北桥功能逐渐被CPU包含
  • 南桥芯片，常裸露在PCI插槽旁，块头较大，决定主板功能，控制各种接口（PS/2鼠标、USB、PCI总线、IDE等等）
  • BIOS 芯片，(Basic Input Output System 基本输入输出系统)，全称 ROM-BIOS ，是一组被固化到电脑中，为电脑提供最低级最直接的硬件控制的程序，是硬件和软件之间的一个“转换器”或接口
    • 自检和初始化负责启动电脑
      ①加电自检 (Power On Self Test 简称POST)，检测硬件部分
      ②初始化，创建中断向量、设置寄存器，BIOS 设置一些硬件参数
      ③引导程序，引导DOS或其他操作系统
    • 程序服务处理和硬件中断处理
      前者主要为应用程序和操作系统服务；软件
      后者分别处理PC机硬件的需求
  • CMOS RAM 与 ROM BIOS 的区别
    前者是系统参数存放的地方，后者中的程序是完成参数设置的手段
    准确说法：通过BIOS设置程序对CMOS参数进行设置

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• 总线，实现计算机各部件之间的硬连接，是多个系统部件之间进行数据传输的公共通路
  • 一般分为三种
    ①内部总线，芯片内部连接各元件
    ②系统总线，连接微处理器、存储器、I/O等主要部件
    ③外部总线，微型机和外设之间
  • 系统总线，按照传输信息的类型，分为三种
    ①数据总线 (data bus , DB)，用于传送数据信息，双向三态式，其位数通常与微处理的字长一致
    ②地址总线 (address bus , AB)，专门用来传送地址，只能从CPU向外传，所以为单向三态式；其位数决定了CPU可直接寻址的内存空间大小，AB为n位，可寻址空间为2ⁿ字节
    ③控制总线 (control bus , CB)，用来传送控制信号和时序信号，传送方向由具体控制信号决定，一般为双向
  • 常见系统总线，由 PC/XT 到 ISA、MCA、EISA、VESA 再到 PCI、AGP、IEEE1394、USB总线等；
    系统总线是用来连接各种插件板，以扩展系统功能的总线；大多微机中，显示适配器、声卡、网卡等都是以插件板的形式插入系统总线扩展槽的
    ISA (industry standard architecture)，IBM制定的总线标准
    PCI (peripheral component interconnect)，SIG (Special Interest Group) 集团推出的总线结构
    PCI-E (Express)，Intel 提出，采用点对点串行连接，每个设备都有自己的专用连接，无需向整个总线请求带宽；PCI-E插槽支持向下兼容
    AGP (accelerated graphics port)，加速图形端口，为提高视频带宽而设计的总线规范，应3D图像而生；严格上是一种接口标准，习惯上依然称其为AGP总线（不如PCI-E）
    USB (Universal Serial Bus 通用串行总线)，为简化PC与外设之间的互联而共同研究开发的一种免费的标准化连接器，它支持各种PC与外设之间的连接；特点：即插即用，可热插拔
    USB总线标准1.1版，12Mbps；2.0版，240Mbps；3.0版，5Gbps，全面超越IEEE1394和eSATA

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• 微型计算机的主要性能指标
  • 1.运算速度（主频）
    运算速度是衡量CPU工作快慢的指标，一般以每秒完成多少次运算来度量（MIBS）
    目前可达每秒万亿次
  • 2.字长
    字长是CPU一次可以处理的二进制位数，字长主要影响计算机的精度和速度
    字长越大，速度越快，精度越高
  • 3.主存容量（内存、硬盘）
    主存容量是衡量计算机记忆能力的指标
  • 4.输入输出数据传输速率（显示器、显卡）
    输入输出数据传输速率决定了可用的外设和与外设交换数据的速度
  • 5.可靠性
    指计算机连续无故障运行时间的长短
  • 6.兼容性
    高档机向下兼容：原来为低档机开发的软件可以直接在它的高档机中使用
    硬件产品的兼容性往往可以通过驱动程序或补丁程序解决
    软件产品的不兼容，一般通过软件包更新或产品升级解决

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第4章 计算机软件系统基础

• 软件，提供了发挥硬件功能的方法和手段扩大其应用范围，并能改善人-机界面，方便用户使用
• 软件系统，各种软件的总称；分为两大类：
  1.系统软件，用于计算机系统本身的管理、运行；包括操作系统、DBMS、程序设计语言、各种服务程序
  2.应用软件，为某一方面应用而设计的程序
• 操作系统 (Operating System , OS)，计算机中最基本、最重要的系统软件，管理所有软硬件资源，是计算机系统的核心；
  是对计算机硬件系统的第一次扩充；
  使用户不必了解硬件结构就可以利用软件执行各种操作；
  由一组对计算机软件、硬件资源进行管理的程序组成；
  计算机启动后，操作系统及其常用指令从硬盘装入内存；
  1976，美国 DIGITAL RESEARCH 软件公司研制出 8位的 CP/M 操作系统，是操作系统的雏形
• 引导程序，启动计算机的过程
  1.通电，电源给主机及其他设备发出电信号
  2.电脉冲使处理器芯片复位，并查找含 BIOS 的 RAM 芯片
  3.BIOS 加电自检
  4.系统将自检结果与主板上的 CMOS 中数据进行比较
  5.若自检成功，BIOS 在外存中查找 引导程序 并装入内存执行，引导程序 把操作系统的核心部分引导入内存，然后操作系统接管、控制计算机
  6.系统配置信息被OS装入内存
• 操作系统分为：
  1.单用户操作系统 (Single User Operating System)，一次只能支持一个用户作业的运行
  作业，指用户要求计算机所做工作的集合
  如 C-DOS、M-DOS、MS-DOS等
  多用户OS，可支持多个用户同时登录
  如 Windows XP
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  2.批处理操作系统 (Batch Processing OS)，将作业按性质分组，成批提交处理
  在存储器中排列成一个作业队列 (Job Queue)
  又分单道和多道
  单道批处理系统，特征是内存中只允许存放一个作业，CPU利用率低
  多道批处理系统，引入多道程序设计(multiprogramming)技术，内存中可同时存在若干道作业
  如 IBM 的 OS/360
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  3.分时操作系统 (Time-sharing OS)，
  多用户同时工作，共享系统资源；各进程按时间片轮流进行
  所谓分时，是指CPU资源的时间划分成很小的片段，称为时间片
  一个分时OS可带几十上百个终端
  每个用户都感觉自己似乎独占了整个计算机系统
  如 CTSS、UNIX、Linux
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  4.实时操作系统 (Real Time OS , RTOS)，对特定输入做出快速反应，即计算机及时响应外部事件的请求
  及时性，对响应时间要求较高，分时系统响应时间为秒级，实时系统响应时间为毫秒、微秒级
  如 VxWorks、QNX、Palm OS、Windows CE；Delta OS、Hopen OS、CASSPDA、HBOS
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  5.网络操作系统 (Network OS)，提供网络通信和网络服务功能
  必须兼顾网络协议，为协议的实现创造条件和提供支持
  如 Windows NT、Novell NetWare、Unix、Linux
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  6.分布式操作系统 (Distributed OS)，其所有系统任务可在系统中任何处理机上运行，自动实现全系统范围内的任务分配并自动调度各处理机的工作负载
  高速局域网互连的若干计算机组成的分布式计算机系统，需配置相应的OS，分布式OS因而出现
  透明性：存在但不干预；即，计算机中存在，但你不需要了解的
• OS的四个基本特征
  1.并发性，指两个或多个事件在同一时间间隔内发生
  宏观上是多个程序同时运行，微观上是分时交替执行
  并行性 (Parallelism)，含有并发的含义
  在单CPU计算机系统中，程序不可能同时执行
  2.共享性，指多个用户进行共享系统的软、硬件资源
  系统中独占的资源，打印机等不允许两个以上的用户程序同时访问的设备
  磁盘设备等是共享资源，允许同时访问共享
  3.虚拟，指通过某种技术把一个物理实体(实际存在的)变为若干个逻辑上的对应物(用户感觉上的东西)，对用户隐藏了对硬件操作的复杂性
  4.异步性，也成为不确定性，
  指同样一个数据集的同一个程序在同样的计算机环境下运行，每次执行的顺序和所需的时间都不相同
• OS的功能，主要功能包括处理机管理、存储管理、设备管理、文件管理以及为方便用户而提供友好的用户界面；
  • 1.处理机管理，主要完成对处理机的分配调度与运行管理等功能；
    分配调度以进程(process)为单位，进程是一个动态的概念，指运转的程序（多个程序，并发执行）
    进程让每个用户感觉到自己独占CPU
    线程(Thread)，为了同时干多件事情，将进程分解为线程
    OS对进程(线程)的管理主要包括：
    ①进程控制，主要功能是为作业创建与撤销进程，控制进程在运行过程中的状态转换(阻塞与唤醒，挂起与激活进程等)
    ②进程同步，协调多个并发执行的进程(线程)之间的推进步骤；
    两种协调方式，进程互斥方式和进程同步方式；
    最简单的用于实现进程互斥的机制是为每一个临界资源配置一把锁，当锁打开时，进程(线程)可以对该临界资源进行访问；锁关闭时，禁止访问
    ③进程通信 ，实现在相互合作的进程之间的信息交换
    ④进程调度 ，从进程的就绪队列中选出一个进程，分配处理机给它，为它设置运行现场，使进程投入执行
  • 2.存储管理，负责管理计算机系统的存储器，提高内存利用率；
    主要包括，
    ①内存分配，为每道正在处理的程序或数据分配内存空间（静态和动态）；
    ②内存保护，保证不同用户的程序在各自的内存空间中活动，不冲突；
    设置两个界限寄存器分别存放上界地址值和下界地址值，若地址越界，访问将被拒绝，程序中断；
    ③地址映射，主要实现进程逻辑地址到内存物理地址的转换；
    ④内存扩充，OS利用虚拟存储技术，把内存和外存联合起来；
    只把当前需要运行的那部分程序和数据放入内存，不用时，就换出到外存；
  • 3.设备管理，管理外设；主要包括
    ①缓冲区管理，管理各类缓冲区，缓和CPU和外设之间速度不匹配的矛盾，最终达到提高CPU和外设利用率，进而提高整个计算机系统性能；
    缓冲时两种不同速度的设备之间传输信息时平滑传输过程的常用手段；
    ②设备分配，根据用户进程的I/O请求，系统资源情况以及设备相应分配策略，分配设备；
    若存在，还需为分配的设备分配相应的控制器和通道；使用完毕后由系统回收；
    ③设备驱动，通常是实现CPU与通道和外设之间的通信；
    简称驱动程序，创建了一个硬件与硬件、软件之间沟通的接口；
    键盘、鼠标、显示器等都有自己专门的命令集，因而需要自己的驱动程序；
    若没有安装正确的驱动程序，设备就无法工作；
    ④设备独立性和虚拟设备，前者也称设备无关性，指应用程序独立于物理设备；
    后者是利用虚拟技术将一台独占设备虚拟成多台逻辑设备，供多个用户进程共享使用；
  • 4.文件管理，实现软件资源的存储、共享、保密和保护；
    主要包括：
    ①文件存储空间的管理，为每个文件分配必要的外存空间，提高外存利用率和文件系统的运行速度；
    ②目录管理，为每个文件建立其目录，并对众多的目录项加以有效的组织，以实现方便的按名存取；
    目录项包括文件名、文件属性、文件在磁盘上的物理位置，若干目录项构成一个目录文件
    ③文件的读/写管理和保护，从外存中读取数据，或将数据写入外存；保护是防止未经核准的用户存取文件；
  • 5.用户接口，用户与操作系统的接口，屏蔽了计算机硬件的操作细节
    ①命令接口，是用户利用 操作系统命令 组织和控制作业的执行或管理计算机系统；
    可分为联机用户接口和脱机用户接口；
    ②程序接口，用户程序取得OS服务的唯一途径
    ③图形接口，图形用户界面或图形用户接口 (Graphical User Interface , GUI)，指采用图形方式显示的计算机操作环境用户接口；极大的方便了非专业用户的使用\
• 常用的OS
  目前最常用的是DOS、windows、Unix、Linux：
  • MS-DOS，Microsoft Disk Operating System，美国微软公司提供的磁盘操作系统；
    由一个基于主引导记录的BOOT引导程序和三个文件模块组成；
    输入输出模块 (IO.SYS)、文件管理模块 (MSDOS.SYS)、命令解释模块 (COMMAND.COM)；
    后期的版本，DOS程序也可以通过调用相应的DOS中断来进入图形模式，即DOS下的图形界面程序；
    如今DOS仍未在个人计算机系统中销声匿迹，因为它为windows操作系统的早期版本提供了部分操作系统内核，它隐藏在Windows的图形用户界面中，用户很少和它打交道了；
    DOS命令：
    1.DIR命令：查看信息
    2.CD：该命令改变或显示当前目录
    3.DEL：删除目录下所有文件，一视同仁，照删不误
  • Windows 操作系统
    施乐公司于1981年宣布退出世界上第一个商用的图形用户界面系统—Star8010工作站，由于种种原因没有得到大众的重视；
    苹果电脑公司的乔布斯参观施乐公司，1983 研发出Lisa，后来有了Macintosh（Mac），基于市场考虑，只开发了苹果公司自己的计算机上能用的系统；
    微软1983春季宣布开始研究Windows，希望它能够成为基于Intel x86 微处理芯片计算机上的标准图形用户界面操作系统；
    微软于1990年5月份推出了Windows3.0，开始了微软在OS上的垄断地位；
    微软1975年成立之初，只有一个Basic程序，以及比尔盖茨和保罗艾伦两个人；
    2004年为止，Windows操作系统在世界范围内占据了桌面操作系统90%的市场；
    2001年，Microsoft公司推出Windows XP，XP表示“体验” (experience)；
    2009年10.22，Microsoft发售Windows7；
    2015.7.29，发布Windows 10，增加了 Multiple Desktops 功能，多个桌面
    Windows 几乎成为操作系统的代名词
  • Unix 操作系统
    最初的Unix是用汇编语言编写的，一些应用是由叫做B语言的解释型语言和汇编语言混合编写的；
    B语言在进行系统编程时不够强大，所以汤普逊和里奇对其进行了改造，并于1971年共同发明了C语言；
    1973年，汤普逊和里奇用C语言重写了Unix；
    当时的系统程序都是由汇编语言编写；
    Unix代码简洁紧凑、易移植、易读、易修改；
    除了贝尔实验室的正宗UNIX外，还有许多变种就是在正宗版本上的一些修改；
    还有一些克隆系统，例如 Math 和 Linux；界面和正宗相同，内部完全重新实现；
    UNIX操作系统面向用户的界面是一种命令语言，它被称为shell(外壳)，其解释程序也称为shell；
    虽是命令语言，其功能却能与一般作业控制语言相媲美；
    Shell简单命令分为两大类，一是系统提供的标准命令，另一类是各用户自编自用的命令；
  • Linux 操作系统
    最初由芬兰赫尔辛基大学计算机系大学生LinusTorvalds1991年初陆续编写；
    是在Unix的一种版本Minix的内核基础上开发出来的操作系统；
    后经世界顶尖软件工程师的不断修改和完善，在全球普及开来；
    应用，服务器领域及个人桌面版；
    在嵌入式开发方面有无可比拟的优势；
    Linux的稳定性、多工能力与网络功能也是许多商业操作系统无法比拟的；
    最大特色，源代码完全公开；
    Linux 软件主要包括系统内核、系统使用工具、应用程序以及安装路径；
    和用户之间的接口同UNIX一样是shell，其中缺省使用的是Bash；

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End.