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第一章 計算機系統

第一章 計算機系統

• 1.1概述
• • 1.1.1 計算機的發展歷程
  • 1.1.2 計算機體系結構
• 1.2 計算機硬件系統
• • 1.2.1 中央處理器（central processing unit）
  • 1.2.2 計算機的基本工作原理
  • • 1.計算機指令格式
    • 2.計算機指令的尋址方式
    • 3. 計算機指令系統
    • 4. 計算機執行指令的基本過程
    • 5.指令執行的時序
  • 1.2.3 存儲器
  • • 1.RAM存儲器
    • 5. 存儲器的層次化結構
  • 1.2.4 數據的內部表示
  • • 1.進位計數制及其相互轉換
    • 2.定點數的表示和運算
    • 3.浮點數的表示和運算
  • 1.2.5 總線和外設
  • • 1.總線
    • 2. 輸入/輸出系統
• 1.3 操作系統
• • 1.3.1 操作系統概述
  • • 1. 操作系統的功能與任務
    • 2.操作系統的發展過程
    • 3.操作系統的分類
  • 1.3.2 進程管理
  • • 1.并發程序設計
    • 2.進程的基本概念
    • 3.進程的狀態及其轉化
    • 4.進程控制塊及其組織
    • 5.進程調度
  • 1.3.3存儲管理
  • • 1.存儲管理功能與地址重定位
    • 2.連續存儲管理
    • 3.分頁式存儲管理
    • 4.分段式存儲管理及段頁式存儲管理
    • 5.虛擬存儲器管理
  • 1.3.4.文件管理
  • • 1.文件及文件系統
    • 2.文件的組織結構
    • 3.文件目錄管理
  • 1.3.5 I/O設備管理

1.1概述

1.1.1 計算機的發展歷程

第一胎電子數字計算機 ENIAC 1946

發展階段：
電子管計算機時代
晶體管計算機時代
集成電路計算機時代
大規模集成電路計算機時代

1.1.2 計算機體系結構

計算機硬件：指組成一臺計算機的各種物理裝置，硬件系統也被稱為裸機，只能識別0-1代碼，
系統軟件： 是指控制和協調計算機及外部設備，支持應用軟件開發和運行的軟件

1.2 計算機硬件系統

1.2.1 中央處理器（central processing unit）

CPU包括兩個部分：
控制器和運算器（邏輯算術單元）。都包含有寄存器或高速存儲區域，用總線（一種電子線路連接）

通常運算器和控制器被合成在一塊集成電路的芯片上，被稱作CPU芯片

（1）控制器
操作：獲取指令、分析指令、執行指令、存儲結果

（2）運算器
執行算術運算和邏輯運算，并控制速度

（3）寄存器
提高計算機性能，是高速存儲區域，可以在處理過程中臨時存儲數據

CPU中寄存器的數量和每個寄存器的大小（位數）沒確定CPU的性能和速度
e.g.32位CPU指，寄存器是32位的，可以處理32位的數據

類型：指令寄存器、地址寄存器、存儲寄存器、累加寄存器

（4）總線 （見1.2.5節

總線是CPU內部及在CPU和主板間傳輸信息的電子數據線路。
可以通過總線訪問各種輸入輸出設備

1.2.2 計算機的基本工作原理

1.計算機指令格式

計算機指令 = 操作碼+操作數（地址碼）

計算機指令是能夠被計算機識別的二進制代碼

計算機操作碼所占二進制位數為k,則最多有$2^k$條指令，
若有n條指令，則至少有操作碼$[lo{g}_1(n?1)]+1$ 個二進制位

地址碼用來描述該指令的操作對象，或直接給出操作數，或之處操作數的存儲器地址或寄存器地址（即，寄存器名）

若計算機指令共占n個字節，則稱該指令為n字節指令

2.計算機指令的尋址方式

有效地址 ： 指令中操作數的真實地址
由尋址方式和形式地址共同來決定

尋址方式：
確定本條指令的數據地址以及下一條將要執行的指令的地址，與硬件結構密切相關

分為兩類：
（1）指令尋址
分為兩類：

• 順序尋址
• 跳躍尋址

（2）數據尋址
分為：

• 立即尋址（所需操作數由指令的地址碼部分直接給出）
• 直接尋址（指令的地址碼部分給出操作數在存儲器中的地址）
• 隱含尋址（操作數隱含在操作碼或某個寄存器中）
• 間接尋址、寄存器尋址、寄存器間接尋址等

3. 計算機指令系統

定義: 計算機的所有指令的集合

功能分類：
（1）數據傳送指令
（2）程序控制指令
（3）數據處理指令
（4）輸入/輸出指令
（5）其他指令

4. 計算機執行指令的基本過程

步驟：

• 取指令
  按照程序計數器地址，從內存儲器中取出當前要執行的指令送到指令寄存器
• 分析指令
  由譯碼器對指令中的操作碼進行譯碼，將指令中的操作碼轉換成相應的控制信息，由指令中的指令碼確定操作數存放的地址
• 執行指令
  由控制電路發出一系列控制信息，由源地址碼所指出的源操作數做該指令所要求的操作，并將操作結果放到由目的地址嗎指出的地方
• 修改程序計數器
  一條指令執行完后，根據程序的要求修改程序的計數器的值

5.指令執行的時序

機器周期 內存中讀取一個指令字的最短時間
每個機器周期至少完成一個基本操作

指令周期 計算機完成一條指令所花費的時間

1.2.3 存儲器

作用分類 ：主存（通常采用半導體存儲器，容量小 讀寫速度快、價格高 ）、輔存、緩存、閃存 等

1.RAM存儲器

（1）靜態存儲單元（static RAM, SRAM）
保存信息穩定、信息非破壞性讀出
結構簡單、可靠性強、速度較快
所用原件較多、占硅片面積大、功耗大、集成度不高

（2）動態存儲單元（dynamic RAM, DRAM）
分類：三管式、單管式
靠電容存儲電荷的原理來寄存信息
電荷自動消失，在2ms之內對存儲單元進行再生或刷新
集成度更高、功耗更低

（3）閃速存儲器
電可擦除非易失器件
抗震、節能、體積小、容量大、便宜

（4）高速緩沖存儲器Cache
用速度高的SRAM元件組成
快表+快速存儲器

5. 存儲器的層次化結構

指標： 速度、容量、每位價格
- + - 容量越大，速度越慢，價格越低

1.2.4 數據的內部表示

1.進位計數制及其相互轉換

基數（radix） ：擁有的數字個數
權 ： 每位數字的值

2.定點數的表示和運算

分類：無符號數、帶符號數，其表示范圍與機器位數相關

（1）無符號數
非負整數，機器的字長的全部位數均用來表示數值大小

（2）帶符號數
符號位（機器數）： 0為正 1為負

根據符號位和數值位的編碼方法分：

• 原碼
  符號位+絕對值

• 反碼
  正數：反碼=原碼
  負數：反碼=符號位+絕對值各位取反

• 補碼
  正數：補碼=原碼
  負數：補碼=反碼+1

  反碼的反碼 == 原碼
  補碼的補碼 ==原碼
  兩數的補碼之和==兩數和的補碼

• 偏移碼
  補碼的符號位取反

運算：
（1）加減運算
（2）算數移位運算
帶符號數一位，保持操作數符號不變
（3）邏輯移位運算
無符號數移位

3.浮點數的表示和運算

（1）浮點數的表示范圍
指小數點的位置可浮動的數據
$$N=M?R^E$$

N為浮點數，M為尾數，E為階碼 R為階的基數（底）
在一臺計算機中所有數據的R都是相同的

浮點數的機內表示：

$$Ms+E+M$$

其中：
Ms是尾數的符號位1位 0正1負
E為階碼有n+1位有一位符號位表示正階或負階
M為尾數，有m位，
Ms和M組成一個定點小數

（2）IEEE 754 標準
單精度浮點數 （32位），E8位，M24位（內含符號數一位）
雙精度浮點數 （64位），E11位，M53位（內含符號數一位）

1.2.5 總線和外設

1.總線

（1）總線的基本概念
總線 是連接計算機中各個部件的信息傳輸線，是各個部件共享的傳輸介質

按信息傳送方式： 串行傳輸、并行傳輸

按功能和實現方式分類：

• 片內總線
  芯片內部的總線
• 系統總線
  計算機各部分的信息傳輸線
  包括：
  數據總線（雙向總線，寬度與機器字長、存儲字長有關）
  地址總線（單向總線，與存儲地址、I/O地址有關）
  控制總線（部分出、部分如方式，控制所有部件）
• 通信總線
  計算機之間或系統之間的通信
  依據傳輸方式分：串行通信總線、并行通信總線

（2）總線的組成及性能指標
結構分類：
單總線結構、多總線結構（將I/O設備分離出來）

性能指標
總線寬度（數據總線的根數）、總線帶寬（數據傳輸效率）、鐘同步/異步 等

（3）總線仲裁
工作包括： 判優控制、通信控制
邏輯分為： 集中式、分布式

（4）總線操作

• 讀和寫
• 塊傳送
• 寫后讀
• 讀后寫
• 廣播
• 廣集

（5）總線標準
系統與各模塊、模塊與模塊之間的一個互連的標準界面

2. 輸入/輸出系統

（1） 外部設備的分類
按作用分：

• 輸入/輸出(input/output,I/O)設備
• 輔助存儲器
• 終端設備
  組成： 輸入設備+輸出設備+終端控制器
  通過通信線路與主機相連
• 過程控制設備
• 脫機設備

（2）硬盤存儲器
分類：固定磁頭磁盤存儲器、移動磁頭磁盤存儲器
性能指標：存儲密度（道密度：半徑方向磁道數，位密度：磁道單位長度能記錄的二進制代碼）、存儲容量、存取時間、數據傳輸率（單位時間向主機傳送的數據字節數）

（3）I/O接口
連接總線和設備

基本功能：

• 實現設備選擇
• 實現數據緩沖以達到速度匹配
• 實現數據串并格式轉換
• 實現電平轉換
• 傳送控制命令
• 反映設備狀態

（4）I/O方式

• 數據查詢
• 程序中斷
• DMA（直接內存存取）
• 通道方式

1.3 操作系統

計算機資源： 計算機系統中所有的硬件和軟件

1.3.1 操作系統概述

1. 操作系統的功能與任務

主要作用 :
（1）管理系統資源
（2）為用戶提供資源共享的條件和環境，并對資源的使用進行合理調度
（3）提供輸入/輸出的方便環境，簡化用戶的輸入/輸出工作，提供良好的用戶界面
（4）規定用戶的接口，發現、處理或報告計算機操作過程中出現的各種錯誤

概括的說：操作系統是用以控制和管理系統資源、方便用戶使用計算機的程序集合

功能與主要任務：
（1）處理機管理
（2）存儲機管理
（3）設備管理
（4）文件管理
（5）用戶接口

2.操作系統的發展過程

（1）手工操作
（2）批處理系統
（3）多道程序系統
（4）分時系統
（5）個人計算機操作系統

3.操作系統的分類

（1）多道批處理操作系統
多道：計算機內存中存入多個用戶
批處理：外存內存入大量作業，作業的運行完全由系統控制
（2）分時操作系統
允許多個聯機用戶同時使用一臺計算機系統進行計算
將時間劃分成時間片，分給各個用戶
多路性、交互性、獨立性、及時性
（3）實時操作系統
系統能夠接收數據并以足夠快的速度予以處理和響應
可以控制所有任務協調一致進行
eg.三種典型：
過程控制系統、事務處理系統、信息查詢系統
（4）網絡操作系統
將計算機加入網絡中
網絡通信、資源管理、網絡管理、網絡服務、通信透明性
（5）分布式操作系統
由多臺分散的計算機經網絡互連而成的系統
（6）嵌入式操作系統
運行于嵌入式系統上的操作系統

1.3.2 進程管理

1.并發程序設計

并發程序的特點 ：
（1）無封閉性
并發式程序的輸出結果受各程序的相對速度有關（結果的不確定性）
（2）程序與執行過程不是一一對應的關系
共享的程序對應多個執行過程
（3）程序并發執行可以相互制約
不但可能有因果制約，也可能因為有某些資源共享從而間接制約

2.進程的基本概念

程序本身是一個靜態的概念，不能刻畫多道程序并發執行時的動態特性和并行特性。

進程：
（1）是程序的執行過程
（2）包括程序和數據
（3）可能對應多個程序
（4）程序可能對應多個進程

3.進程的狀態及其轉化

運行、就緒、等待、創建、終止

4.進程控制塊及其組織

PCB（process control block)是進程存在的標志
（1）進程名
（2）特征信息
（3）執行狀態信息
（4）通信信息（該進程與其他進程之間的關系
（5）調度優先數
（6）現場信息
（7）系統棧
（8）進程映像信息
（9）資源占有信息
（10）族關系

5.進程調度

可搶占資源、不可搶占資源
調度算法：
先來先服務、時間片輪轉、優先級調度

1.3.3存儲管理

1.存儲管理功能與地址重定位

（1）存儲管理的功能：

• 地址變換
• 內存分配
• 存儲器的共享與保護
• 存儲器擴充

（2）地址重定位：
重定位寄存器（relocation register）加入起始地址，將取出邏輯地址加上重定位寄存器（其內容是程序裝入內存的起始地址）形成物理地址。
動態地址重定位:
不要求程序全部裝入固定的內存空間，在內存中允許程序再次移動位置、而且可以部分地裝入程序運行、便于多個程序運行同一副本。
存儲器管理技術：
基址寄存器BR 限長寄存器LR
實際內存地址D=BR + 指令中的有效地址
如果：BR≤D＜BR+LR 則按地址D進行訪問
如果 D<BR 或 D>=BR+LR 則地址越界

2.連續存儲管理

1.固定區分配

• 把內存劃分成若干大小固定的分區，一個分區分給一個作業使用，直到作業完成
• 簡單、硬件支持少、容易產生內部碎片

2.可變區分配

• 在作業調入內存時建立一個大小恰好與作業匹配的分區
• 空閑區域是離散的、出現外部碎片

3.分頁式存儲管理

• 作業空間被劃分成頁，實際內存空間劃分成塊。頁的大小與塊的大小相等。當某個作業被調入內存運行時，由重定位機構將作業中的頁映射為到內存空間的塊上。
• 有效地址結構：頁號+頁內偏移量

建立程序邏輯頁與內存的存儲塊之間的對應關系，借助動態地址重定位。

（1）分頁式存儲管理的地址重定位
頁表：頁面映像
PCB中存儲起始地址與長度

（2）分頁式存儲保護

地址變換時：頁號<頁表長度 （否則視為越界訪問）

增加存取控制與存儲保護的信息

<優點
有效解決碎片問題、內存利用率高、內存回收與分配算法簡單
<缺點
采用動態地址變換增加了硬件成本、降低了處理機速度
分段式存儲及段頁式存儲

4.分段式存儲管理及段頁式存儲管理

（1）分段式：
每段分配連續的存儲空間
短號+段內位移
<解決了程序與數據共享以及程序動態鏈接等問題

段頁式：
段號+段內頁號+頁內位移

5.虛擬存儲器管理

只讓當前用到的信息進入內存、其他尚且用到的信息留在外存
用于支持虛擬存儲器的外存稱為后備存儲器

（1）請求頁式存儲管理：
作業表JT、頁表PMT、存儲分塊表MBT

（2）請求段式存儲管理：
最優算法
先進先出算法
最近最久未用算法

1.3.4.文件管理

1.文件及文件系統

文件：一組帶標識（標識即為文件名）的、邏輯上有完整意義的信息項的序列。
文件系統：負責存取和管理文件信息的軟件機構
文件的類型：
用途（系統文件、庫文件、用戶文件
性質（普通文件、特殊文件、目錄文件
保護級別（只讀、讀寫、可執行、流文件
文件數據類型（源文件、目標文件、可執行文件
文件系統模型：層次模型

2.文件的組織結構

（1） 文件的邏輯結構
記錄式文件 在邏輯上被看作是一組順序記錄的集合，一種有結構的流式文件組織，并且根據記錄文件長度可分為定長文件和變長文件。
流式文件 又稱無結構文件，是由一組相關信息組合成的有序字符流，直接按字節計算。
（2） 文件的物理結構
文件在外部存儲介質上的存放形式，也叫文件的存儲結構
分類：順序結構、鏈接結構、索引結構

• 順序結構：邏輯上連續的文件信息存放在連續編號的物理塊中，只需給出文件塊號和文件長度
• 鏈接結構：邏輯上連續的文件分散地存放在不同的物理塊中，在各物理塊中，在各物理塊中設立指針
• 索引結構：系統為每個文件建立索引表，表項指出存放該文件的各個物理塊號，索引表在文件屬性說明項中指出。

3.文件目錄管理

（1） 文件目錄概念
文件名與文件在外存空間中的物理地址的對應
目錄：用于管理文件

文件控制塊FCB ：文件的文件目錄項
包括： 文件存取控制、結構、使用、管理的信息

（2） 文件目錄結構
【1】 單級目錄
【2】 二級目錄
【3】 多層次目錄

（3） 文件空閑區的組織
【1】 空閑文件項和空閑區表
【2】 空閑塊鏈
【3】 位示圖
用若干字節構成一張表，表中每一個二進制位對應一個物理塊
1–物理塊已分配、 0 --物理塊空閑
【4】 空閑塊成組鏈接法

1.3.5 I/O設備管理

1.輸入/輸出軟件中的層次結構
2.中斷處理過程
3.設備驅動程序
4.與設備無關的I/O軟件
5.用戶層的I/O軟件
6.設備的分配與回收

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的计算机系统 基础知识点汇总，超全！！！的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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