NCRE公共基础知识(一) 计算机系统

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计算机系统

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一、概述

    计算机是一种现代化的信息处理工具，作为第三次科技革命钟信息控制技术革命的核心内容，它极大的改变了人类历史。。

1.计算机的发展历程

    世界上公认的第一台电子数字计算机，是1946年诞生于美国宾夕法尼亚大学的ENIAC。
    计算机的发展一般分为四个阶段：第一个阶段(1946年-20世纪50年代后期)为电子管计算机时代，第二阶段(20世纪50年代后期-20世纪60年代中期)为晶体管计算机时代，第三阶段(20世纪60年代中期-20世纪70年代初期)为集成电路计算机时代，第四阶段(20世纪70年代至今)为大规模集成电路计算机时代。

2.计算机体系结构

    冯·诺伊曼提出了存储程序控制的计算机结构，并开始了存储程序控制的计算机EDVAC的研究，而英国剑桥大学的EDSAC，是第一台存储程序的计算机。
    “存储程序”思想可以简要地概括为以下几点：

• 计算机由运算器、存储器**、控制器、输入设备和输出设备五大部分组成；
• 计算机内部采用二进制来表示指令和数据；
• 需将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后再启动计算机工作。
  

3.计算机系统基本组成

    一个完整的计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分。
    硬件系统是指组成一台计算机的各种物理设备，软件系统则是在硬件设备上运行的各种程序、数据以及有关的资料。计算机软件按照面向应用对象的不同主要分为系统软件和应用软件，系统软件主要包括操作系统、语言处理系统、数据库管理系统和系统辅助处理程序等，其中最重要的是操作系统。

二、计算机硬件系统

    计算机硬件系统已经逐渐从以运算器为中心，发展为以存储器为中心，其由中央处理器、内存储器和各种输入输出设备构成，并通过总线连接在一起。
（1）中央处理器
    中央处理器主要包括运算器和控制器两个部件，运算器负责对数据进行算术运算和逻辑运算，控制器负责对程序所规定的指令进行分析，控制并协调输入、输出操作或对内存的访问。
（2）存储器
    存储器又分为内存储器和外存储器，负责存储程序和数据，并根据控制命令提供这些程序和数据。
（3）输入设备
    输入设备负责把用户的西悉尼（包括程序和数据）输入到计算机中。
（4）输出设备
    输出设备负责将计算机中的信息（包括程序和数据）传送到外部媒介供用户查看和保存。

1.中央处理

    中央处理器也称CPU，是计算机的核心，它包括两部分：运算器与算术逻辑单元（运算器）。
（1）控制器
    控制器是整个计算机的控制中心，它解释存储在CPU的指令，然后执行指令。
（2）运算器
    运算器可以执行算术运算和逻辑运算，并能控制这些操作的速度。
（3）寄存器
    控制器和运算器中都是用寄存器，他是特殊的高速存储区域，可以在处理过程中临时存储数据。
（4）总线
    总线是CPU内部以及在CPU和主板的其他部位之间传输信息的电子数据线路。
    CPU最重要的指标是主频和字长，CPU主时钟的频率决定了计算机运算速度，CPU的字长则是指可以同时处理的二进制数据的位数。

2.计算机的基本工作原理

2.1计算机指令格式

    计算机指令是能够被计算机识别并执行的二进制代码，它规定了计算机能完成的某种操作，一条计算机指令由操作码和操作数（地址码）两部分。
    指令中的操作码指出该指令需要完成操作的类型和性质，操作码的二进制位数决定了该种计算机最多能具有的指令条数（即操作种类）。一般来说，如果某类型计算机的指令操作码所占的二进制位数为k，则其最多可以有2^k指令。
    指令中的地址吗用来描述该指令的操作对象，或者直接给出操作数，或者指出操作数的存储器地址或寄存器地址（即寄存器名）。根据操作数的性质，又可分为源操作数和目的操作数两类。
    只占一个字节的指令称为单字节指令，占两个字节的指令称为双字节指令操作码和操作数共占n个字节的指令称为n字节指令。

2.2计算机指令的寻址方式

    指令中操作数的真实地址称为有效地址，它是由寻址方式和形式地址共同决定的。寻址方式分为指令寻址和数据寻址两大类，指令寻址分为顺序寻址和跳跃寻址两种，常见的数据寻址包括立即寻址（所需的操作由指令的地址码部分直接给出）、直接寻址（指令的地址码部分给出操作数在存储器中的地址）、隐含寻址（操作数的地址隐含在操作码或者某个寄存器中）以及间接寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址和堆栈寻址等更为复杂的寻址方式。

2.3计算机指令系统

    某种计算机的的所有指令的集合，称为该计算机的指令系统，一般都具有以下功能的指令：

• 数据传送指令：将数据进行传送；
• 数据处理指令：对数据进行处理，主要包括算数运算、逻辑运算与关系运算；
• 程序控制指令：控制程序中指令的执行顺序；
• 输入/输出指令：实现外部设备与主机之间的数据传输；
• 其他指令：对计算机的硬件进行管理、堆栈操作等。

2.4计算机执行指令的基本过程

    在计算机中，用程序计数器（PC）来决定个条指令的执行顺序，指令执行过程如下：

• 取指令
• 分析指令
• 执行指令
• 修改程序计数器

    一般将计算机完成一条指令所花费的时间称为一个指令周期，指令周期越短，执行指令越快。CPU从内部取出一条指令执行并分析，一条指令执行完后，再从内存取出下一条指令分析并执行，这就是程序的执行过程。

2.5指令执行的时序

    通常用内存中读取一个指令字的最短时间来规定CPU周期，称为机器周期，将每条指令占用的周期称为指令周期。

3.存储器

    存储器特性是影响系统吞吐量的决定性因素。按照存储介质，存储器可分为半导体存储器、此春初器和光盘存储器等；按照存取方式方式分类，存储器可分为随机存储器RAM、只读存储器ROM和串行访问存储器；按在计算机中作用分类，可分为主存储器、辅存、缓存和闪存等。

3.1RAM存储器

• 静态存储单元SRAM：保存信息比较稳定，可靠性高、速度较快；
• 动态存储单元DRAM：靠电容存储电荷的原理来寄存信息，为保证信息不丢失，需不断再生或刷新。

3.2只读存储器

    只读存储器所存储的内容不会因断电而丢失，可分为只读存储器ROM、可编程的只读存储器PROM、掩膜式MROM和可擦可编程的只读存储器EPROM。

3.3闪速存储器

    闪速存储器在EEPROM的基础上发展而来，具有体积小、容量大而价格便宜的特点。

3.4高速缓存存储器

    高速缓存存储器（Cache）基于的原理是内存中“程序执行与数据访问的局域性行为”，用于解决CPU与内存速度不匹配的问题。

3.5存储器的层次化结构

    存储器具有三个重要的指标：速度、容量和每位（bit）价格，在计算机系统中主要采用缓存-主存-辅存的层次结构。

4.数据的内部表示

4.1进位计数制极其相互转换

    进位计数制按照进位制的方法表示数，涉及基数和权两个概念。
    一个数X被记为r进制的形式，则其整数部分为n为，小数部分为m为，其值为

4.2定点数的表示和运算

    在计算机中，对于带符号数的数，一般规定最高为“0”时表示该数为正，为“1”时表示该数为负。根据符号位和数值位的编码方式不同，机器数有原码、补码和反码三种。

4.3浮点数的表示和运算

    浮点数是指小数点位置可浮动的数据，通常以下式表示：

    其中，N为浮点数，M为其位数，E为其阶码，R为阶的基数。

    其中m_f为尾数的符号位，设置在最高位上，e为n+1位的阶码，m为尾数。
    根据IEEE 754国际标准规定，常用的浮点数有两种格式：

• 单精度浮点数：共32位，阶码8位，尾数24位；
• 双精度浮点数：共64位，阶码11位，尾数53位。

5.总线和外设

5.1总线

    总线（bus）是连接计算机中各个部件的信息传输线，是各个部件共享的传输介质。总线上信息的传输方式分为串行传输和并行传输，可分为：

• 片内总线：芯片内部的总线；
• 系统总线：计算机各部件之间的信息传输线，包括数据总线和地址总线；
• 通信总线：用于通信，分为串行通信和并行通信。

    总线的结构通常分为单总线结构和多总线结构，性能指标包括总线宽度、总线带宽和及时钟同步/异步等。
    总线控制器的工作主要包括总线的判优控制（仲裁逻辑）和通信控制，其实仲裁逻辑分为集中式和分布式两种。
    总线的操作主要包括读和写、快传送、写后读或读后写、广播和广集等。总线标准就是系统与各模块、模块与模块之间的一个互联的标准界面。

5.2输入/输出系统

    外部设备主要用来完成数据的输入、输出、成批存储以及对信息加工处理的任务，主要可分为以下三类：

• 输入/输出设备：向计算机输入信息的外部设备称为输入设备，接收计算机输出信息的外部设备称为输出设备；
• 辅助存储器：主机以外的存储装置，又称为外存，硬盘是最重要的大容量外存设备，其主要性能指标包括存储密度、存储容量、存取时间和数据传速率等；
• 终端设备：终端设备由输入设备、输出设备和终端控制器组成。
      对于I/O设备，I/O方式包括以下方式：
• 程序查询方式
• 程序中断方式
• 直接内存存取DMA方式
• 通道方式

三、操作系统

1.操作系统概述

1.1操作系统的功能与任务

    操作系统是最基本也是最核心的系统软件，它是直接与硬件层相邻的第一层软件，主要包括以下作用：

• 管理系统资源，包括CPU、内存储器、输入/输出设备、数据文件及其他软件资源管理；
• 为用户提供资源共享的条件和环境，并对资源的使用进行合理调度；
• 提供输入/输出环境；
• 规定用户的接口，发现、处理和报告错误。
      如果将操作系统视作计算机系统的管理者，其功能和任务主要包括处理机管理、存储器管理、设备管理、文件管理和用户接口。

1.2操作系统的发展历程

    操作系统的发展历程可分为以下五个阶段：

• 手工操作（无操作系统）
• 批处理系统
• 多道程序系统
• 分时系统
• 个人计算机操作系统

1.3操作系统的分类

    按照操作系统在用户面前的使用环境以及访问方式，可将操作系统分为以下类别：

• 多道批处理操作系统：“多道”指在计算机内存中存入多个用户作业，“批处理”则是一种用户与作业没有交互作用的操作方式；
• 分时操作系统：允许多个操作用户同时使用一台计算机系统进行计算的操作系统；
• 实时操作系统：当外界事件或数据产生时，系统能够接收并以足够快的速度予以处理和响应，控制所有任务协调一致运行；
• 网络操作系统：为了使计算机能方便地传送信息和共享网络资源，将计算机加入网络中；
• 分布式操作系统：由多台分散的计算机经网络互联而成的系统；
• 嵌入式操作系统：运行于嵌入系统之上的操作系统。

2.进程管理

2.1并发程序设计

    在许多情况下，程序中与各个操作相对应的程序段的执行一定是顺序的，称之为顺序程序，其具有顺序性、封闭性和可再现性特点。
    所谓多个程序并发执行，是指一组在逻辑上相互独立的程序或程序段，再执行过程中，其执行时间在客观上互相重叠，及一个程序段的执行尚未结束，另一个程序段的执行已经开始的执行方式。并发程序具有以下几个特点：

• 并发程度没有封闭性；
• 程序与其执行过程不是一一对应的关系；
• 程序并发执行可以相互制约。

2.2进程的基本概念

    所谓进程，使之一个具有一定独立能力的程序关于某个数据集合的一次运行过程。进程与程序关系主要反映在以下几个方面：

• 进程是程序在计算机上的一次执行过程，是动态的概念，而程序只是一组指令的有序集合，是静态的概念；
• 进程是程序的执行过程，是一次具有一定生命期的运行活动，其组成包括程序和数据；
• 一个程序可能对应多个进程；
• 一个进程可以包含多个程序。

2.3进程的状态及其转化

    一个进程的活动情况大致可分为以下五种基本状态：

• 运行状态：处在运行状态下的进程实际上正占据着CPU；
• 就绪状态：处于就绪状态下的进程已经获得了除CPU外的一切所需的资源；
• 等待状态：一个进程正在等待某一事件的发生而暂时停止执行；
• 创建状态：进程正在创建中，尚不能运行；
• 终止状态：进程运行结束。

2.4进程控制块及其组织

    创建一个进程时，需要建立一个能够描述该进程执行情况，能够反映该进程和其他进程以及系统资源的关系，能够刻画该进程在各个不同时期所处的状态的数据块，即进程控制块PCB。
    系统中有许多进程，其所处的状态各不相同，对这些不同状态的进程的物理组织形式通常有线性表和链接表两种。

2.5进程调度

    进程调度就是按一定策略动态地把CPU分配给处于就绪队列中的某一进程并使之执行的过程，最基本的进程调度算法有以下几种：
（1）FCFS调度算法
    先来先服务调度算法按照进程就绪的先后顺序来调度进程，到达得越早，就越先执行。
（2）RR调度算法
    时间片轮转调度算法是系统按照就绪进程先后顺序进行分配，并分配给进程一个固定的时间片，时间片用完时进程被迫释放CPU并放回就绪队列尾部。
（3）优先级调度算法
    将CPU分配给就绪队列中具有最高优先级的就绪进程，分为抢占式和非抢占式两种。

3.存储管理

    对内存储器进行有效的组织、管理和分配，也是操作系统的主要任务之一。

3.1存储管理的功能和地址重定位

    在多道程序系统中，存储管理一般包括以下功能：

• 地址变换：将用户程序中的相对地址转换为实际内存空间中的绝对地址；
• 内存分配：根据用户需要及内存空间实际大小，按照一定策略分配内存给各个程序使用；
• 存储共享与保护：允许各用户程序共享系统或用户的程序和数据，并保证各程序之间互不干扰或破坏对方；
• 存储器扩充：确保当前需要的程序和数据在内存，而其余部分暂存在外村。
      在程序执行时，需要将用户程序中的相对地址转换为内存中的实际地址，即地址变换。在地址变换时，需要对程序中的指令地址以及指令中有关地址的部分（有效地址）进行调整，称为地址重定位。

3.2连续存储管理

    连续存储管理中，内存空间被划分为一个个分区，一个作业占一个分区，即系统和用户作业都以分区为单位享用内存。当一个作业被调入分区时，就将对作业分配一个内存分区，将分区首地址送到BR，该分区长度送到LR，则其转换关系为实际内存地址D=BR+指令中有效地址，并通过判断BR≤D＜BR+LR判断地址是否越界。

3.3分页式存储管理

    在分页式存储管理中，作业空间被划分为页，实际的内存空间被划分为块，作业调入内存时，由重定位机构将作业中的页映射到内存空间对应的块上。从而实现地址转换。

3.4分段式存储管理及段页式存储管理

    分段式管理中，作业的地址空间由若干个逻辑分段组成，每一分段是一组逻辑意义完整的具有段名的信息集合，每一段都是以0开始的连续的一位地址空间，整个作业构成二维地址空间，其优点在于地址空间的管理上。
     段页式存储管理是分页式存储管理与分段式存储管理的结合，具有以下特点：

• 作业地址分成若干个具有段名的逻辑分段；
• 段内分成若干大小固定的页，每段都从零开始编写连续页号；
• 对内存空间的依然分配成与页面大小相同的物理段；
• 作业的逻辑地址包括三部分：段号、段内页号和页内位移。

3.5虚拟存储器管理

    根据程序的时间局部性和空间局部性，让当前用到的信息进入内存， 而将当前未用的信息留在外村，从而提供远大于实际内存空间的地址空间，这样的存储器称为虚拟存储器。
（1）请求页式存储管理
    如果作业的所有页面不是一次全部装入，而是根据作业运行时的实际要求装入所需页，其余页保存在外存中，等到需要时再请求系统调入，这种分页管理称为请求页式存储管理。
    在请求分页系统中，为实现地址转换，需要建立一些表：

• 作业表JT：记录作业状态与资源使用信息；
• 页表PMT：记录作业每一页的页号及其是否进入内存；
• 存储分块表MBT：记录内存空间中块的使用情况。
      在需要将页面从外存调用时，内存中如果没有空闲块，则需继续页面置换，常用的页面置换算法包括以下几种：
• 最优算法OPT
• 先进先出算法FIFO
• 最近最久未使用算法LRU

（2）请求段式存储管理
    请求段式存储管理同样基于程序局部性原理，段式逻辑地址空间中的程序段在运行时不需要全部装入内存，而是在需要时调入。

4.文件管理

    为计算机系统提供数据存储、数据处理和数据处理的功能，也是操作系统的重要功能之一。

4.1文件及文件管理系统

    文件是指一组带标识的、在逻辑上具有完整意义的信息项的序列，文件系统是负责存取和管理文件信息的软件机构。

4.2文件的组织结构

• 文件的逻辑结构：文件的逻辑结构就是从用户观点出发所见到的文件结构，通常分为记式文件和流式文件两种；
• 文件的物理结构：文件的物理结构是指文件在外部存储介质上的存放形式，也成为文件的存储结构，包括顺序结构、链接结构和索引结构。

4.3文件管理目录

    为了根据文件名存取文件，必须建立文件名与文件在外存空间中的物理地址的对应，表示这种对应关系的数据结构称为文件目录。每个文件在文件目录中登记为一项，称为文件控制块FCB。
    根据文件目录的组织架构，可分为单级目录、二级目录、多级层次目录、无环图结构目录和图状结构目录，文件管理目录的存取权限可通过建立访问控制表和存取权限表来实现。

4.4文件空闲区的组织

    一个大容量的文件存储器要为系统和许多用户所共享，且能自动地为用户分配存储空间，常见的文件存储管理空间方案如下：

• 空闲文件项与空闲区表
• 空闲块链
• 位示图
• 空闲块成组链接法

5.I/O设备管理

    I/O设备管理通常应具有以下功能：外围设备中断处理、缓存区管理、外围设备的分配和外围设备驱动调度等。

5.1输入/输出软件的层次结构

    输入/输出软件的设计目标就是将软件组织成一种层次结构以实现上层的设备无关性，其层次结构如下：

5.2中断处理进程

   &ensp外部设备完成I/O输入后，设备控制器向CPU发出一个请求，CPU响应后中断处理程序，过程如下：

1. 检查响应中断条件是否满足；
2. 如满足，CPU响应中断，立即关中断；
3. 保存被中断进程的CPU环境；
4. 分析中断原因，转入相应处理程序；
5. 执行中断处理程序；
6. 回复被中断进程的CPU现场，返回被中断程序；
7. 开中断，CPU继续执行。

5.3设备驱动程序

    设备驱动程序是指驱动物理设备的DMA控制器或I/O控制等直接进行I/O操作的子程序集合，主要负责启动对应设备进行I/O操作。

5.4与设备无关的I/O软件

    与设备无关的软件提供适用于所有设备的常用I/O功能，并向用户层软件提供一个统一接口。

5.5用户层的I/O设备

    用户程序的I/O设备是I/O系统软件分层的最上层，负责进行通信，它屏蔽了具体的硬件细节，向用户提供统一的接口。

5.6设备的分配与回收

    进程在使用资源时，必须首先向设备管理程序提供资源申请，由设备分配程序根据相应的分配算法为进程分配资源，进程使用完之后，由系统及时回收供其他进程使用。