计算机系统基础知识

计算机系统

计算机概述

计算机的发展历程

目前公认的第一台电子数字计算机是ENIAC，根据计算机本身采用的无力不见不同，将其发展分为四个阶段，

• 电子管计算机时代


• 晶体管计算机时代


• 小规模集成电路计算机时代


• 大规模和超大规模集成电路计算机时代

计算机体系结构

ENIAC可以提高计算速度，但它本身存在两大缺点，一是没有存储器，二是连接繁琐，耗费时间。1946年，冯·诺依曼提出“存储程序控制”的思想，1951年EDVAC问世。

EDVAC的特点：

• 在计算机内部，程序和数据采用二进制数表示。


• 程序和数据存放在存储器中，采用程序存储的概念。


• 计算机硬件由 运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五部分组成。

计算机系统的基本组成

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A[计算机系统] --- B[硬件系统]; A --- C[软件系统];
B --- D[主机];B --- E[外部设备];
C --- F[系统软件]; C --- G[应用软件];
D --- H[中央处理器]; D --- I[主存储器];
H --- V[运算器]; H --- W[控制器];
E --- J[辅助存储器]; E --- K[输入设备]; E --- L[输出设备];
F --- M[操作系统]; F --- N[语言处理系统]; F --- O[数据库管理系统]; F --- P[系统辅助处理程序];
G --- Q[信息管理软件]; G --- R[辅助设计软件]; G --- S[文字处理软件]; G --- T[图形图像软件]; G --- U[各种程序包];

计算机硬件系统

中央处理器

中央处理器(CPU)是计算机的运算和控制中心。主要功能是解释计算机指令和处理软件中的数据。包括 运算器和 控制器两部分，它们都包含 寄存器，并通过总线连接。

• 运算器负责对数据加工处理（对数据记性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、输出操作和对主存储器的访问。


• 寄存器用来暂时存放参与运算的数据和运算结果，包括 指令寄存器、地址寄存器、存储寄存器和 累加寄存器。根据寄存器的数量和每个寄存器的大小可以确定CPU的速度和性能。


• CPU主要的技术性能指标有 字长、主频和 运算速度
  
  
  
  • 字长指计算机一次能处理的二机制的位数，在工作频率和CPU结构相似的前提下，字长越长，CPU的数据处理速度越快。
  
  
  • 主频指计算机的时钟频率。主频越高，CPU的运算速度越快。
  
  
  • 运算速度指CPU每秒能执行的加法指令数目，用MIPS表示。
  
  
  
  

存储器

存储器是存储程序和数据的部件，可以自动地完成程序或数据的存取。存储器主要有3个性能指标：速度、容量和 位价格，一般速度越快，位价格越高；容量越大，位价格越低；容量越大，速度越慢。

分类

• 按存储介质分类：半导体存储器、磁表面存储器、磁芯存储器、光盘存储器


• 按存取方式分类：随机存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、串行访问存储器、直接存取存储器


• 按作用分类：主存储器（内存）、高速缓冲存储器（cache）、辅助存储器（外存）

主存储器

主存储器一般采用半导体存储器，包括 RAM和 ROM

RAM

RAM具有可读写性，当写入新的数据时，原来的数据将被擦除；具有易失性，断电后数据消失，且无法恢复；RAM分为 静态RAM和 动态RAM。

• 静态RAM(SRAM)：集成度低、价格高、存储速度快且不需要刷新


• 动态RAM(DRAM)：集成度高、价格低、存储速度慢且需要刷新，目前内存条采用DRAM

ROM

ROM中的信息只能读出，不能写入；具有永久性，断电后数据不消失。

高速缓冲存储器

高速缓冲存储器是介于CPU和内存之间的一种小容量、可高速存储信息的芯片，用于解决它们速度不匹配的问题。

辅助存储器

辅助存储器的容量较大，大部分可以移动。辅助存储器中的数据被读入内存后才能被CPU读取。

外部设备

在计算机中，CPU和内存构成主机。除主机外，围绕主机设置的各种硬件设备称为外部设备

分类

• 输入设备：向计算机输入数据和信息的设备，用于湘计算机输入原始数据和处理数据的程序。


• 输出设备：将计算结果数据或信息以数字、字符、图像或声音等形式表示出来。


• 辅助存储器：存放大量的程序和数据，断电后数据不会消失。


• 终端设备：指经由通信设施向计算机输入程序和数据或接收计算机输出结果的设备。分为 通用终端设备和 专用终端设备两类。

硬盘

分类

根据磁头是否移动，硬盘分为固定磁头硬盘和活动磁头硬盘。

• 固定磁头硬盘：每个磁道对应一个磁头，工作时，磁头无径向移动。其特点是存取速度快，省去了磁头寻找磁道的时间。


• 活动磁头磁盘：每个盘面只有一个磁头，在存取数据时，磁头在盘面上径向移动。由于增加了寻找“磁道”的时间，存取速度较慢。目前常用的磁盘是活动磁头磁盘。

信息分布

• 记录面：磁盘由重叠的一组盘片构成，每个盘片的两面都可以用作记录面，每个记录面对应一个磁头，因此，记录面号是磁头号。


• 磁道：盘片旋转时，磁头在记录面上划出的一个圆形轨迹。最外圈的磁道号为0，向内逐圈递增。


• 圆柱面：各记录面上相同编号的磁道构成一个圆柱面。硬盘的圆柱面数等于一个记录面上的磁道数，圆柱面号对应磁道号。


• 扇区：讲一个磁道划为若干弧段，每个弧段称为一个扇区。扇区从1开始编号。

磁盘存储器的主要性能指标包括 存储密度、存储容量、平均存储时间、数据传输速率。

I/O接口

I/O接口用于主机与外设之间的信息交换

功能

• 实现主机与外设之间的通信联络控制


• 进行地址译码与设备选择


• 进行数据缓冲以匹配速度


• 信号格式转换


• 传输命令和状态信息

I/O方式

• 程序查询方式：一旦某外设被选中并启动，主机将查询这个外设的某些状态位，判断其是否准备就绪，若已准备就绪，则进行一次I/O操作。控制简单但效率低。

  
  



• 程序中断方式：在主机启动外设后，不需要查询，继续执行原来的程序，外设在做好输入/输出准备时，向主机发送中断请求，主机接到命令后暂停原来执行的程序，转去执行终端服务程序并对外部请求处理，在中断处理完毕后返回原来的程序继续执行。

  
  



• DMA方式：在内存与外设直线开辟直接的数据通道，基本上不需要CPU介入的内存与外设之间的信息传递。满足了CPU的高效率。

  
  
  
  
  • I/O通道方式：系统中设有通道控制部件，每个通道有若干外设。主机执行I/O指令来启动有关通道，通道执行通道程序，完成输入/输出操作。通道是独立于CPU的专门管理I/O的处理机制，控制内存与设备直接进行数据交换。通道指令由CPU发出，并在操作结束时向CPU发出中断信号。
  
  
  
  

总线

总线是一组能被多个部件 分时共享的公共信息传输线路。分时指同一时刻总线只能传输一个部件发出的信息；共享指总线上可以挂接多个部件。

分类

总线按功能层次分为3类：

• 片内总线：芯片内部的总线，如CPU内部寄存器与寄存器之间、寄存器与算数逻辑单元之间。


• 系统总线：计算机系统内各功能部件（CPU/内存、I/O接口）之间相互连接的总线。按传输的信息不同，可分为 数据总线（双向传输）、地址总线（单向传输）、控制总线（部分出、部分入）。


• 通信总线：用于计算机设备之间或计算机设备与其他设备之间的信息传输。按传输方式的不同，可分为 串行通信总线和 并行通信总线。

总线的基本结构（以系统总线为例）

• 单总线结构：只有一条系统总线，CPU/内存、I/O设备都挂在该总线上，允许设备之间之间进行信息交换。

  
  



• 双总线结构：将低速I/O设备从单总线上分离出来，实现内存总线与I/O总线分离。

  
  



• 三总线结构：各部件之间采用3条独立的总线构成信息通道。

  
  
  
  
  • 内存总线用于在CPU和内存之间传输地址、数据和传输控制信息。
  
  
  • I/O总线用于在CPU和外设之间通信。
  
  
  • 直接访问内存总线用于在内存和高速外设之间直接传输数据
  
  
  
  

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A[内存] -- 直接访问内存总线 --> C[外设];
B[CPU] -- I/O总线 --> C[外设];
B[CPU] --内存总线--> A[内存];

总线的性能指标

• 总线时钟周期：计算机的时钟周期（CPU完成一个最基本动作的时间）


• 总线周期：一次总线操作（申请阶段、寻址阶段、传输阶段及结束阶段）所需的时间。\(总线周期 = N*时钟周期\)


• 总线的工作频率：\(总线的工作频率 = 时钟频率/N\)


• 总线宽度：数据总线的根数


• 总线带宽：总线的数据传输率，即单位时间总线上传输数据的位数。


• 时钟同步/异步：数据与时钟同步工作的总线称为同步总线，数据与时钟不同步工作的总线成为异步总线


• 总线复用：一种总线在不同的时间传输不同的信息


• 信号线数：地址总线、数据总线及控制总线3种总线数的和

总线仲裁

为保证同一时间只有一个申请者使用总线，总线控制机构中设有 总线判优和 仲裁控制逻辑，按一定的优先次序决定那个部件先使用总线。

总线判优控制按照仲裁控制机构的设置可分为两种：

• 集中式控制：总线控制逻辑基本上集中于一个设备，将所有的总线请求集中起来，由一个特定的裁决算法进行裁决。


• 分布式控制：不需要中央裁决器，即总线控制逻辑分散在连接于总线上的各个部件中。

总线操作

读和写，块传输，写后读，读后写，广播和广集。

总线标准

计算机的工作原理

计算机在执行程序前须将要执行的相关程序和数据先放入内存中，在执行时CPU根据当前程序指针寄存器的内容取出指令并执行，然后取出下一条指令并执行，如此循环知道程序结束。其工作过程就是不断地 取指令和执行指令。最后将计算机的执行结果放入指定的存储器地址中。

计算机指令格式

操作码+操作数（地址码）

• 操作码：指明要完成操作的性质和功能，操作码的二进制位数决定了该类型计算机最多能具有的指令条数。


• 操作数：可以是 数据本身，也可以是存放数据的 内存单元地址或 寄存器名称。根据指令中操作数的性质，操作数可以分为源操作数和目的操作数。

如果指令中的操作码和操作数共占n字节，则称该指令为n字节指令。

计算机指令的寻址方式

寻址方式是指找到当前正在执行指令的数据地址和下一条将要执行指令的地址。

• 数据寻址：找到当前正在执行指令的数据地址。包括直接寻址、间接寻址、立即寻址、隐含寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、基址寻址、变址寻址、相对寻址和堆栈寻址


• 指令寻址：找到下一条将要执行指令的数据地址。包括顺序寻址和跳跃寻址

计算机指令系统

一台计算机所能执行的全部指令的集合。

功能：

• 数据传输类指令：实现数据在内存和CPU之间的传输


• 运算类指令：用来进行数据的运算


• 程序控制类指令：用来控制程序中指令的执行顺序


• 输入/输出指令：用来实现外设与主机之间的数据传输


• 处理器控制和调试指令：用来实现计算机的硬件管理

指令的执行过程

1. 取指令：按照程序规定的次序，从内存取出当前执行的指令，并送到控制器的指令寄存器中。


2. 分析指令：根据操作码确定执行什么操作，由指令中的地址码确定操作码存放的地址。


3. 执行指令：根据指令分析结果，由控制器发出完成操作的一系列控制电位，指挥计算机相关部件完成操作。同时，为下一条指令做出准备。

操作系统

操作系统概述

操作系统的功能

管理硬件设备，提高它们的利用率和系统的吞吐量，并为用户和应用程序提供简单的接口。

• 处理器(CPU)管理：创建和撤销进程，对多个进程的运行进行协调，进行进程间的信息交换，以及按照一定的算法将处理器分配给进程。


• 存储器管理：提高存储器的利用率，从逻辑上扩充内存。具有内存分配和回收、内存保护、设备分配、地址映射和内存扩充等功能。


• 设备管理：完成用户进程提出的I/O请求，为用户进程分配所需的I/O设备，并完成指定的I/O操作；提高CPU和I/O设备的利用率，提高I/O速度，方便用户使用I/O设备。具有缓冲管理、设备分配、设备处理和虚拟设备等功能。


• 文件管理：对用户文件和系统文件进行管理以方便用户使用，并保证文件的安全性。具有存储空间管理、目录管理、文件的读写管理以及文件的共享与保护等功能。


• 提供用户接口

操作系统的分类

根据使用环境与作业处理方式的不同，分为多道批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、网络操作系统、分布式操作系统、嵌入式操作系统。

进程管理

程序执行后才能得到结果，程序的执行分为顺序执行和并发执行。

• 顺序执行：一个具有独立功能的程序独占处理器直到执行结束的过程。具有顺序性、封闭性及可再现性的特点，但系统资源的利用率低


• 并发执行：一组在逻辑上相互独立的程序在执行过程中，其执行时间在客观上相互重叠，失去了封闭性和可再现性，程序之间可以相互制约。

进程

进程是指一个具有一定独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动，即可以并发执行的程序的执行过程。

进程与程序的区别

• 程序是一组指令的有序集合，是静态的概念；进程是程序在处理器上的一次执行过程，是动态的概念。


• 程序可以作为一种软件资源永久保存；进程能够动态的产生和消亡。


• 进程包括程序和数据以及记录进程相关信息的“进程控制块”。

进程的状态及转换

• 创建状态：进程正在创建过程中、尚不能运行。


• 就绪状态：进程具备运行条件、等待系统分配处理器以便运行的状态。


• 运行状态：进程占有处理器、正在运行。处于运行状态


• 等待状态：又称阻塞或睡眠状态，进程不具备运行条件，正在等待某个事件完成的状态。


• 终止状态：进程运行结束的状态。

进程控制块

每个进程只有一个进程控制块(PCB)。它是进程存在的唯一标志，是操作系统用来记录和刻画进程状态和环境信息的数据结构，是进程动态特征的汇集，也是操作系统掌握进程的唯一资料结构和管理进程的主要依据。PCB包括进程运行时的状态，以及进程让除处理器之后的状态、断点等信息。

• 进程名：唯一标识，对应进程的一个标识符或数字，系统根据标识符识别一个进程。


• 特征信息：反映该进程是不是系统进程等信息。


• 执行状态信息：反映对应进程当前的状态。


• 通信信息：反映该进程与其他进程的通信关系。


• 调度优先数：用于分配处理器时参考的一种信息。决定了处于就绪状态的进程哪一个先得到处理器。


• 现场信息：在对应进程放弃处理器时，将处理器的一些现场信息保留在PCB中，当下一次恢复运行时，只要按保存值重新装配即可继续运行。


• 系统栈：主要反映对应进程在运行时的一条嵌套调用路径的历史。


• 进程映像信息：用于说明该进程的程序和数据存储情况。


• 资源占有信息：指明对应进程所占有的外设种类、设备号等信息。


• 族关系：反映该进程与其它进程之间的隶属关系。

进程的组织

• 线性方式：将系统中所有的PCB都组织在一个线性表中，再将该表的首地址存放在内存的专用区域。成本低，但是每次查找都需要扫描整张表，效率低。


• 链接方式：把具有相同状态进程的PCB分别通过PCB中的链接字链接成一个队列，形成一个就绪队列、若干个阻塞队列及空白队列。


• 索引方式：系统根据所有进程的不同状态，建立几张索引表，并把各索引表在内存的首地址记录在内存的一些专用单元中。在每张索引表的表目中，记录具有相应状态的某个PCB在表中的地址。

进程调度

按一定的策略动态把CPU分配给处于就绪队列的某一进程并使其运行的过程。

存储管理

存储管理的对象是内存，目的是提高内存空间的利用率。

存储管理的功能

• 地址变换：当用户程序进入内存执行时，需要把所有的相对地址（逻辑地址）转换成实际地址（物理地址）。


• 内存分配


• 存储共享与保护


• 存储器扩充

地址重定位

在地址变换过程中，需要修改程序中所有与地址有关的项，即对程序中的指令地址和指令中有关地址的部分（有效地址）进行调整。

• 静态地址重定位：在程序执行前，由操作系统的重定位将其封装在内存中，程序必须占用连续的内存空间，装入内存后程序不移动。


• 动态地址重定位：在程序执行期间，有专门的硬件机构（重定位寄存器）在每次进行存储访问时，将取出的逻辑地址加上重定位寄存器的内容形成物理地址。允许程序再次移动位置，同时也可以多个作业共享同一程序的副本。

存储管理技术

连续存储管理

内存空间被分为一个个分区，一个作业占一个分区，即系统作业和用户作业都以分区为单位占用内存。地址重定位采用静态地址重定位，分区的存储保护可采用上、下寄存器保护方式。分区分配方式为固定分区和可变分区。

分页式存储管理

当作业提出存储分配请求时，系统首先根据存储块大小将作业分为若干页，每一页可存储在内存的任意一个空白块内。只要建立程序的逻辑页与内存的存储块之间的对应关系，借助动态地址重定位技术，分散在不连续物理存储块中的用户作业就能正常运行。

分段式存储管理

作业的逻辑地址空间由若干个逻辑段组成，每一段是一组逻辑意义完整的信息集合，并有自己的段名。分段式存储管理以段为基本单位来分配内存，且每一段都必须分配连续的内存空间，但各段之间不需要连续。分段式存储管理采用动态地址重定位技术进行地址转换。

段页式存储管理

• 将作业的逻辑地址分成若干个逻辑段，每个段有自己的段名。


• 每段分为若干个大小固定的页，从0开始依次编号。


• 将内存空间分为若干个与页面大小相同的物理块。


• 作业的逻辑地址包括：段号、段内页号及页内位移。

虚拟存储器管理

把外存空间当作内存的一部分，作业进行过程中只让当前可以用到的信息进入内存，其它当前未用的信息留在外存。

文件管理

文件与文件系统

• 文件：一组带标识的、具有完整逻辑意义的相关信息的集合。

文件类型

划分标准	文件类型
用途	系统文件、库文件、用户文件
性质	普通文件、目录文件、特殊文件
保护级别	只读文件、读写文件、可执行文件、不保护文件
文件数据的形式	源文件、目标文件、可执行文件

• 文件系统：操作系统中与管理文件有关的软件和数据的集合。

文件的组织结构

文件的逻辑结构

文件的逻辑结构是用户可见的结构，根据有无逻辑结构，文件可分为记录式文件和流式文件。

• 记录式文件：每个记录都用于描述实体集中的一个实体，每个记录有着相同或不同数目的数据项。


• 流式文件：数据时一串有序字符流。文件长度以字节为单位。

文件的物理结构

文件在外存有连续存放、链接块存放及索引表存放这3种方式，对应的存储结构为顺序结构、链接结构及索引结构。

文件目录管理

为文件设置的用于描述和控制文件的数据结构，成为文件控制块(FCB)。

• 有关文件存取控制的信息：文件名、用户名、文件主存储权限、授权者存储权限、文件类型及文件属性


• 有关文件结构的信息：记录类型、记录个数、记录长度、文件所在设备名及文件的物理结构类型


• 有关文件使用的信息：一打开的进程数、文件被修改情况、文件最大长度及文件当前大小


• 有关文件管理的信息：文件创建日期、最近修改日期及最后访问日期

文件与FCB一一对应，多个FCB的有序集合称为文件目录。

• 单级目录：不允许重名，查找速度慢、不便于实现文件共享


• 二级目录：不同的用户目录可以有相同的文件名；提高了检索目录的速度。


• 多级目录：也称作树结构目录，方便设置文件的存取权限，利于文件保护；不支持文件或目录的共享。

存取权限可以通过建立访问控制表和存取权限表来实现。

文件系统安全性保护措施：

• 对文件和目录进行权限设置


• 对文件和目录进行加密

I/O设备管理

• 用户层软件：用于实现与用户交互的接口，用户可直接调用该层提供的、与I/O操作有关的库函数对设备进行操作。


• 设备独立性软件：用于实现用户程序与设备驱动器的统一接口、设备命名、设备的保护以及设备的分配与释放，同时为设备管理和数据传送提供必要的存储空间


• 设备驱动程序：与硬件直接相关，用于具体实现系统对设备发出的操作指令，是驱动I/O设备工作


• 中断处理程序：用于保持被中断进程的CPU环境，转入相应的中断处理程序进行处理，处理完毕再恢复被中断的现场，并返回到被中断进程。

用户层软件

面向用户，负责与用户和设备无关的I/O软件通信。当接收到用户的I/O指令后，该层会把请求发送到与设备无关的I/O软件进一步处理。

主要包含I/O操作的库函数和Spooling系统

设备独立性软件

与设备无关的I/O软件，主要功能有

• 向用户层软件提供统一接口


• 设备命名


• 设备保护


• 提供一个独立于设备的块尺寸


• 缓冲技术


• 设备分配与状态跟踪


• 错误处理和报告

设备驱动程序

设备驱动程序是驱动物理设备和DMA控制器或I/O控制器等直接进行I/O操作的子程序的集合。它负责启动I/O设备进行I/O操作，指定操作的类型和数据流向。主要功能有

• 接收由设备独立软件发来的命令和参数，并将命令中的抽象要求转换为与设备相关的低层次操作序列。


• 检查用户I/O请求的合法性，了解I/O设备的工作状态，传递与I/O设备操作有关的参数，设置设备的工作方式。


• 发出I/O命令。


• 及时相应由设备发来的中断请求。

中断程序

中断处理过程：

1. CPU检查响应中断的条件是否满足；


2. 若条件满足，则CPU响应中断，关中断，进入不可再次响应的状态；


3. 保存被中断进程的CPU环境；


4. 执行中断处理子程序；


5. 退出中断，恢复被中断进程的CPU现场或调度新进程占用CPU；


6. 开中断，CPU继续执行。