架构-计算机系统基础

计算机系统基础

一、计算机系统组成

（一）计算机系统层次结构

1. 硬件组成
   • 主机：包含CPU（运算器+控制器）、主存储器（内存）。
   • 外设：输入设备、输出设备、辅助存储器（外存，如硬盘、U盘）、总线、接口。
2. 软件分类
   • 系统软件：操作系统、编译工具等，是硬件与应用软件的接口。
   • 应用软件：办公软件、娱乐软件、信息系统软件等，直接面向用户需求。

（二）指令系统与存储体系

1. 指令系统对比

   类型	CISC（复杂指令系统）	RISC（精简指令系统）
   指令数量	多，使用频率差异大	少，使用频率接近
   格式	可变长格式	定长格式，单周期指令为主
   寻址方式	支持多种	支持方式少
   实现方式	微程序控制	硬布线逻辑控制，增加通用寄存器
   代表	Intel/AMD的x86 CPU	ARM、Power架构

2. 分级存储体系
   • 层次结构（速度从快到慢）：CPU寄存器→Cache（相联存储器）→内存（DRAM）→外存（硬盘、光盘等）。
   • 局部性原理
     • 时间局部性：已执行的指令可能再次执行（如循环操作）。
     • 空间局部性：访问某存储单元后，附近单元可能被访问（如顺序执行）。
   • 目的：解决存储容量、价格和速度的矛盾。

（三）I/O传输方式

1. 程序控制（查询）方式
   • 分类：无条件传送、程序查询。
   • 特点：硬件开销小，I/O能力低，CPU利用率低。
2. 程序中断方式
   • 特点：CPU无需等待I/O完成，支持CPU与I/O并行。
3. DMA方式
   • 功能：主存与外设直接数据通路，高速批量数据交换，效率高于前两种方式。
4. 通道方式/I/O处理机：进一步提升I/O效率，实现更复杂的I/O控制。

二、操作系统核心知识

（一）操作系统概述

1. 功能
   • 管理硬件、软件、数据资源。
   • 控制程序运行，提供人机接口和应用与硬件接口。
2. 分类及特点

   类型	特点	典型系统
   批处理	单道/多道批处理，宏观并行、微观串行	早期大型机系统
   分时	时间片轮转，用户独占感，多路性、交互性、及时性	Unix、Linux终端
   实时	规定时间内响应，可靠性高（如控制系统）	航空航天控制
   网络	共享网络资源，支持Unix、Linux、Windows Server	企业服务器系统
   分布式	透明性、可靠性，网络操作系统的高级形式	分布式计算集群
   嵌入式	微型化、实时性、可定制（依赖HAL/BSP）	智能设备（如路由器）

（二）进程管理

1. 进程与线程
   • 进程：程序在数据集合上的运行过程，资源分配和调度的独立单位，由程序块、PCB、数据块组成。
   • PCB（进程控制块）：进程存在的唯一标志，包含状态、优先级、现场保护区等。
   • 线程：进程内的轻量级执行单元，共享进程的内存地址空间、代码、数据，独立拥有程序计数器、寄存器、栈。
2. 进程状态
   • 三态模型
     • 运行：占用CPU（单处理机同一时刻仅1个进程运行）。
     • 就绪：等待CPU，其他资源已就绪。
     • 阻塞：等待I/O等事件，无法执行。
3. 同步与互斥
   • 临界资源：需互斥访问的资源（如打印机），访问临界资源的代码为临界区。
   • PV操作
     • 信号量S：表示资源数量（S>0为可用数，S<0为排队进程数）。
     • P操作：申请资源，S-1，若S<0则阻塞。
     • V操作：释放资源，S+1，若S≤0则唤醒队列进程。
4. 前趋图
   • 定义：有向无环图，箭头表示前趋关系（Pi完成→Pj开始）。
   • 应用：通过信号量实现进程同步，每个箭头对应一个初值为0的信号量。
5. 死锁
   • 四大条件：互斥、保持和等待、不剥夺、环路等待。
   • 避免方法：银行家算法，确保分配后系统仍处于安全状态（存在安全序列）。

（三）存储管理

1. 页式存储
   • 核心：程序与内存划分为等长页，通过页表映射逻辑地址（页号+页内地址）到物理地址（页帧号+页内地址）。
   • 优缺点
     • 优点：碎片小，分配简单。
     • 缺点：页表开销，可能引发抖动（频繁换页）。
   • 页表项：状态位（是否在内存）、访问位、修改位。
2. 段式存储
   • 核心：按自然段划分逻辑空间，段长可变，通过段表（基址+段长）检查地址合法性。
   • 优缺点
     • 优点：支持程序模块化，段间修改互不影响。
     • 缺点：内存碎片大，利用率低。
3. 段页式存储
   • 核心：先分段再分页，结合段式逻辑清晰和页式内存利用率高的优点。
   • 地址转换：段号→段表→页表基址→页号→页表→页帧号→物理地址。

（四）文件系统

1. 索引文件结构
   • 直接索引：iaddr[0]~iaddr[5]直接指向数据块。
   • 一级间接索引：iaddr[6]指向索引块，索引块包含数据块地址。
   • 二级间接索引：iaddr[7]指向二级索引块，支持大文件存储。
2. 位示图
   • 功能：记录磁盘块使用情况，1表示已占用，0表示空闲。
   • 计算：根据物理块号计算位示图的行号和列号，实现快速分配/回收。

（五）磁盘管理

1. 存取时间计算
   • 寻道时间：磁头移动到目标磁道的时间。
   • 等待时间：目标扇区旋转到磁头下方的时间。
   • 传输时间：数据读写时间，总时间=寻道时间+等待时间+传输时间。
2. 调度算法
   • FCFS（先来先服务）：按请求顺序处理，平均寻道长度较大。
   • SSTF（最短寻道时间优先）：优先处理距离当前磁道最近的请求，可能导致“饥饿”。
   • SCAN（扫描算法）：磁头双向移动，在边缘改变方向，减少寻道次数。

三、系统性能

（一）性能指标

1. 硬件指标
   • 主频：CPU时钟频率（主频=外频×倍频），影响运算速度。
   • MIPS：百万条指令每秒，衡量整数运算速度（MIPS=主频/CPI）。
   • MFLOPS：每秒百万次浮点运算，衡量浮点性能。
2. 软件指标
   • 吞吐量：单位时间处理的任务数。
   • 响应时间：从请求到完成的时间，衡量交互性能。

（二）性能设计与优化

1. 加速比（阿姆达尔定律）
   • 公式：(R = \frac{1}{(1-F_e) + F_e/S_e})，其中(F_e)为可改进部分占比，(S_e)为改进后的速度提升倍数。
   • 意义：系统性能提升取决于瓶颈组件的改进比例和效率。

（三）性能评估方法

1. 基准程序法
   • 分类：真实程序（精度最高）>核心程序>小型基准程序>合成基准程序。
   • 常见测试程序：Dhrystone（整数性能）、Linpack（浮点性能）、SPEC（综合性能）。
2. Web服务器指标：最大并发连接数、响应延迟、吞吐量，通过压力测试和可靠性测试评估。

四、典型例题分析

（一）进程管理

• 例：2台打印机，3个进程互斥使用，信号量S初值为2，取值范围[-1,2]（S=2→可用，S=-1→1个进程排队）。

（二）存储管理

• 页式地址转换：逻辑地址=页号+页内地址，通过页表查页帧号，拼接得到物理地址。例如，页大小4KB（12位），逻辑地址高8位为页号，低12位为页内地址。

（三）死锁预防

• 资源数计算：3个进程各需5个资源，至少需要(3×(5-1)+1=13)个资源才无死锁（每个进程分配4个，剩余1个可避免环路）。

五、考情分析与复习重点

知识点	分值分布（示例）	核心考点
进程管理	2-4分	前趋图、PV操作、死锁条件、银行家算法
存储管理	1-3分	页式/段页式地址转换、页面淘汰算法
系统性能	2-3分	加速比计算、基准程序分类

复习建议：结合习题掌握PV操作与前趋图的映射关系，熟练页式存储地址转换步骤，理解银行家算法的安全序列判断逻辑，通过典型例题强化计算能力。