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第一章 计算机系统
第一章 计算机系统
- 1.1概述
- 1.1.1 计算机的发展历程
- 1.1.2 计算机体系结构
- 1.2 计算机硬件系统
- 1.2.1 中央处理器(central processing unit)
- 1.2.2 计算机的基本工作原理
- 1.计算机指令格式
- 2.计算机指令的寻址方式
- 3. 计算机指令系统
- 4. 计算机执行指令的基本过程
- 5.指令执行的时序
- 1.2.3 存储器
- 1.RAM存储器
- 5. 存储器的层次化结构
- 1.2.4 数据的内部表示
- 1.进位计数制及其相互转换
- 2.定点数的表示和运算
- 3.浮点数的表示和运算
- 1.2.5 总线和外设
- 1.总线
- 2. 输入/输出系统
- 1.3 操作系统
- 1.3.1 操作系统概述
- 1. 操作系统的功能与任务
- 2.操作系统的发展过程
- 3.操作系统的分类
- 1.3.2 进程管理
- 1.并发程序设计
- 2.进程的基本概念
- 3.进程的状态及其转化
- 4.进程控制块及其组织
- 5.进程调度
- 1.3.3存储管理
- 1.存储管理功能与地址重定位
- 2.连续存储管理
- 3.分页式存储管理
- 4.分段式存储管理及段页式存储管理
- 5.虚拟存储器管理
- 1.3.4.文件管理
- 1.文件及文件系统
- 2.文件的组织结构
- 3.文件目录管理
- 1.3.5 I/O设备管理
1.1概述
1.1.1 计算机的发展历程
第一胎电子数字计算机 ENIAC 1946
发展阶段:
电子管计算机时代
晶体管计算机时代
集成电路计算机时代
大规模集成电路计算机时代
1.1.2 计算机体系结构
计算机硬件:指组成一台计算机的各种物理装置,硬件系统也被称为裸机,只能识别0-1代码,
系统软件: 是指控制和协调计算机及外部设备,支持应用软件开发和运行的软件
1.2 计算机硬件系统
1.2.1 中央处理器(central processing unit)
CPU包括两个部分:
控制器和运算器(逻辑算术单元)。都包含有寄存器或高速存储区域,用总线(一种电子线路连接)
通常运算器和控制器被合成在一块集成电路的芯片上,被称作CPU芯片
(1)控制器
操作:获取指令、分析指令、执行指令、存储结果
(2)运算器
执行算术运算和逻辑运算,并控制速度
(3)寄存器
提高计算机性能,是高速存储区域,可以在处理过程中临时存储数据
CPU中寄存器的数量和每个寄存器的大小(位数)没确定CPU的性能和速度
e.g.32位CPU指,寄存器是32位的,可以处理32位的数据
类型:指令寄存器、地址寄存器、存储寄存器、累加寄存器
(4)总线 (见1.2.5节
总线是CPU内部及在CPU和主板间传输信息的电子数据线路。
可以通过总线访问各种输入输出设备
1.2.2 计算机的基本工作原理
1.计算机指令格式
计算机指令 = 操作码+操作数(地址码)
计算机指令是能够被计算机识别的二进制代码
计算机操作码所占二进制位数为k,则最多有2k2^k2k条指令,
若有n条指令,则至少有操作码[log1(n−1)]+1[log_1(n-1)]+1[log1(n−1)]+1 个二进制位
地址码用来描述该指令的操作对象,或直接给出操作数,或之处操作数的存储器地址或寄存器地址(即,寄存器名)
若计算机指令共占n个字节,则称该指令为n字节指令
2.计算机指令的寻址方式
有效地址 : 指令中操作数的真实地址
由寻址方式和形式地址共同来决定
寻址方式:
确定本条指令的数据地址以及下一条将要执行的指令的地址,与硬件结构密切相关
分为两类:
(1)指令寻址
分为两类:
- 顺序寻址
- 跳跃寻址
(2)数据寻址
分为:
- 立即寻址(所需操作数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(操作数隐含在操作码或某个寄存器中)
- 间接寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址等
3. 计算机指令系统
定义: 计算机的所有指令的集合
功能分类:
(1)数据传送指令
(2)程序控制指令
(3)数据处理指令
(4)输入/输出指令
(5)其他指令
4. 计算机执行指令的基本过程
步骤:
- 取指令
按照程序计数器地址,从内存储器中取出当前要执行的指令送到指令寄存器 - 分析指令
由译码器对指令中的操作码进行译码,将指令中的操作码转换成相应的控制信息,由指令中的指令码确定操作数存放的地址 - 执行指令
由控制电路发出一系列控制信息,由源地址码所指出的源操作数做该指令所要求的操作,并将操作结果放到由目的地址吗指出的地方 - 修改程序计数器
一条指令执行完后,根据程序的要求修改程序的计数器的值
5.指令执行的时序
机器周期 内存中读取一个指令字的最短时间
每个机器周期至少完成一个基本操作
指令周期 计算机完成一条指令所花费的时间
1.2.3 存储器
作用分类 :主存(通常采用半导体存储器,容量小 读写速度快、价格高 )、辅存、缓存、闪存 等
1.RAM存储器
(1)静态存储单元(static RAM, SRAM)
保存信息稳定、信息非破坏性读出
结构简单、可靠性强、速度较快
所用原件较多、占硅片面积大、功耗大、集成度不高
(2)动态存储单元(dynamic RAM, DRAM)
分类:三管式、单管式
靠电容存储电荷的原理来寄存信息
电荷自动消失,在2ms之内对存储单元进行再生或刷新
集成度更高、功耗更低
(3)闪速存储器
电可擦除非易失器件
抗震、节能、体积小、容量大、便宜
(4)高速缓冲存储器Cache
用速度高的SRAM元件组成
快表+快速存储器
5. 存储器的层次化结构
指标: 速度、容量、每位价格
- + - 容量越大,速度越慢,价格越低
1.2.4 数据的内部表示
1.进位计数制及其相互转换
基数(radix) :拥有的数字个数
权 : 每位数字的值
2.定点数的表示和运算
分类:无符号数、带符号数,其表示范围与机器位数相关
(1)无符号数
非负整数,机器的字长的全部位数均用来表示数值大小
(2)带符号数
符号位(机器数): 0为正 1为负
根据符号位和数值位的编码方法分:
原码
符号位+绝对值反码
正数:反码=原码
负数:反码=符号位+绝对值各位取反补码
正数:补码=原码
负数:补码=反码+1反码的反码 == 原码
补码的补码 ==原码
两数的补码之和==两数和的补码偏移码
补码的符号位取反
运算:
(1)加减运算
(2)算数移位运算
带符号数一位,保持操作数符号不变
(3)逻辑移位运算
无符号数移位
3.浮点数的表示和运算
(1)浮点数的表示范围
指小数点的位置可浮动的数据
N=M⋅REN=M\cdotp R^EN=M⋅RE
N为浮点数,M为尾数,E为阶码 R为阶的基数(底)
在一台计算机中所有数据的R都是相同的
浮点数的机内表示:
Ms+E+MMs+E+MMs+E+M
其中:
Ms是尾数的符号位1位 0正1负
E为阶码有n+1位有一位符号位表示正阶或负阶
M为尾数,有m位,
Ms和M组成一个定点小数
(2)IEEE 754 标准
单精度浮点数 (32位),E8位,M24位(内含符号数一位)
双精度浮点数 (64位),E11位,M53位(内含符号数一位)
1.2.5 总线和外设
1.总线
(1)总线的基本概念
总线 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
按信息传送方式: 串行传输、并行传输
按功能和实现方式分类:
- 片内总线
芯片内部的总线 - 系统总线
计算机各部分的信息传输线
包括:
数据总线(双向总线,宽度与机器字长、存储字长有关)
地址总线(单向总线,与存储地址、I/O地址有关)
控制总线(部分出、部分如方式,控制所有部件) - 通信总线
计算机之间或系统之间的通信
依据传输方式分:串行通信总线、并行通信总线
(2)总线的组成及性能指标
结构分类:
单总线结构、多总线结构(将I/O设备分离出来)
性能指标
总线宽度(数据总线的根数)、总线带宽(数据传输效率)、钟同步/异步 等
(3)总线仲裁
工作包括: 判优控制、通信控制
逻辑分为: 集中式、分布式
(4)总线操作
- 读和写
- 块传送
- 写后读
- 读后写
- 广播
- 广集
(5)总线标准
系统与各模块、模块与模块之间的一个互连的标准界面
2. 输入/输出系统
(1) 外部设备的分类
按作用分:
- 输入/输出(input/output,I/O)设备
- 辅助存储器
- 终端设备
组成: 输入设备+输出设备+终端控制器
通过通信线路与主机相连 - 过程控制设备
- 脱机设备
(2)硬盘存储器
分类:固定磁头磁盘存储器、移动磁头磁盘存储器
性能指标:存储密度(道密度:半径方向磁道数,位密度:磁道单位长度能记录的二进制代码)、存储容量、存取时间、数据传输率(单位时间向主机传送的数据字节数)
(3)I/O接口
连接总线和设备
基本功能:
- 实现设备选择
- 实现数据缓冲以达到速度匹配
- 实现数据串并格式转换
- 实现电平转换
- 传送控制命令
- 反映设备状态
(4)I/O方式
- 数据查询
- 程序中断
- DMA(直接内存存取)
- 通道方式
1.3 操作系统
计算机资源: 计算机系统中所有的硬件和软件
1.3.1 操作系统概述
1. 操作系统的功能与任务
主要作用 :
(1)管理系统资源
(2)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
(3)提供输入/输出的方便环境,简化用户的输入/输出工作,提供良好的用户界面
(4)规定用户的接口,发现、处理或报告计算机操作过程中出现的各种错误
概括的说:操作系统是用以控制和管理系统资源、方便用户使用计算机的程序集合
功能与主要任务:
(1)处理机管理
(2)存储机管理
(3)设备管理
(4)文件管理
(5)用户接口
2.操作系统的发展过程
(1)手工操作
(2)批处理系统
(3)多道程序系统
(4)分时系统
(5)个人计算机操作系统
3.操作系统的分类
(1)多道批处理操作系统
多道:计算机内存中存入多个用户
批处理:外存内存入大量作业,作业的运行完全由系统控制
(2)分时操作系统
允许多个联机用户同时使用一台计算机系统进行计算
将时间划分成时间片,分给各个用户
多路性、交互性、独立性、及时性
(3)实时操作系统
系统能够接收数据并以足够快的速度予以处理和响应
可以控制所有任务协调一致进行
eg.三种典型:
过程控制系统、事务处理系统、信息查询系统
(4)网络操作系统
将计算机加入网络中
网络通信、资源管理、网络管理、网络服务、通信透明性
(5)分布式操作系统
由多台分散的计算机经网络互连而成的系统
(6)嵌入式操作系统
运行于嵌入式系统上的操作系统
1.3.2 进程管理
1.并发程序设计
并发程序的特点 :
(1)无封闭性
并发式程序的输出结果受各程序的相对速度有关(结果的不确定性)
(2)程序与执行过程不是一一对应的关系
共享的程序对应多个执行过程
(3)程序并发执行可以相互制约
不但可能有因果制约,也可能因为有某些资源共享从而间接制约
2.进程的基本概念
程序本身是一个静态的概念,不能刻画多道程序并发执行时的动态特性和并行特性。
进程:
(1)是程序的执行过程
(2)包括程序和数据
(3)可能对应多个程序
(4)程序可能对应多个进程
3.进程的状态及其转化
运行、就绪、等待、创建、终止
4.进程控制块及其组织
PCB(process control block)是进程存在的标志
(1)进程名
(2)特征信息
(3)执行状态信息
(4)通信信息(该进程与其他进程之间的关系
(5)调度优先数
(6)现场信息
(7)系统栈
(8)进程映像信息
(9)资源占有信息
(10)族关系
5.进程调度
可抢占资源、不可抢占资源
调度算法:
先来先服务、时间片轮转、优先级调度
1.3.3存储管理
1.存储管理功能与地址重定位
(1)存储管理的功能:
- 地址变换
- 内存分配
- 存储器的共享与保护
- 存储器扩充
(2)地址重定位:
重定位寄存器(relocation register)加入起始地址,将取出逻辑地址加上重定位寄存器(其内容是程序装入内存的起始地址)形成物理地址。
动态地址重定位:
不要求程序全部装入固定的内存空间,在内存中允许程序再次移动位置、而且可以部分地装入程序运行、便于多个程序运行同一副本。
存储器管理技术:
基址寄存器BR 限长寄存器LR
实际内存地址D=BR + 指令中的有效地址
如果:BR≤D<BR+LR 则按地址D进行访问
如果 D<BR 或 D>=BR+LR 则地址越界
2.连续存储管理
1.固定区分配
- 把内存划分成若干大小固定的分区,一个分区分给一个作业使用,直到作业完成
- 简单、硬件支持少、容易产生内部碎片
2.可变区分配
- 在作业调入内存时建立一个大小恰好与作业匹配的分区
- 空闲区域是离散的、出现外部碎片
3.分页式存储管理
- 作业空间被划分成页,实际内存空间划分成块。页的大小与块的大小相等。当某个作业被调入内存运行时,由重定位机构将作业中的页映射为到内存空间的块上。
- 有效地址结构:页号+页内偏移量
建立程序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。
(1)分页式存储管理的地址重定位
页表:页面映像
PCB中存储起始地址与长度
(2)分页式存储保护
- 地址变换时:页号<页表长度 (否则视为越界访问)
- 增加存取控制与存储保护的信息
<优点
有效解决碎片问题、内存利用率高、内存回收与分配算法简单
<缺点
采用动态地址变换增加了硬件成本、降低了处理机速度
分段式存储及段页式存储
4.分段式存储管理及段页式存储管理
(1)分段式:
每段分配连续的存储空间
短号+段内位移
<解决了程序与数据共享以及程序动态链接等问题
段页式:
段号+段内页号+页内位移
5.虚拟存储器管理
只让当前用到的信息进入内存、其他尚且用到的信息留在外存
用于支持虚拟存储器的外存称为后备存储器
(1)请求页式存储管理:
作业表JT、页表PMT、存储分块表MBT
(2)请求段式存储管理:
最优算法
先进先出算法
最近最久未用算法
1.3.4.文件管理
1.文件及文件系统
文件:一组带标识(标识即为文件名)的、逻辑上有完整意义的信息项的序列。
文件系统:负责存取和管理文件信息的软件机构
文件的类型:
用途(系统文件、库文件、用户文件
性质(普通文件、特殊文件、目录文件
保护级别(只读、读写、可执行、流文件
文件数据类型(源文件、目标文件、可执行文件
文件系统模型:层次模型
2.文件的组织结构
(1) 文件的逻辑结构
记录式文件 在逻辑上被看作是一组顺序记录的集合,一种有结构的流式文件组织,并且根据记录文件长度可分为定长文件和变长文件。
流式文件 又称无结构文件,是由一组相关信息组合成的有序字符流,直接按字节计算。
(2) 文件的物理结构
文件在外部存储介质上的存放形式,也叫文件的存储结构
分类:顺序结构、链接结构、索引结构
- 顺序结构:逻辑上连续的文件信息存放在连续编号的物理块中,只需给出文件块号和文件长度
- 链接结构:逻辑上连续的文件分散地存放在不同的物理块中,在各物理块中,在各物理块中设立指针
- 索引结构:系统为每个文件建立索引表,表项指出存放该文件的各个物理块号,索引表在文件属性说明项中指出。
3.文件目录管理
(1) 文件目录概念
文件名与文件在外存空间中的物理地址的对应
目录:用于管理文件
文件控制块FCB :文件的文件目录项
包括: 文件存取控制、结构、使用、管理的信息
(2) 文件目录结构
【1】 单级目录
【2】 二级目录
【3】 多层次目录
(3) 文件空闲区的组织
【1】 空闲文件项和空闲区表
【2】 空闲块链
【3】 位示图
用若干字节构成一张表,表中每一个二进制位对应一个物理块
1–物理块已分配、 0 --物理块空闲
【4】 空闲块成组链接法
1.3.5 I/O设备管理
1.输入/输出软件中的层次结构
2.中断处理过程
3.设备驱动程序
4.与设备无关的I/O软件
5.用户层的I/O软件
6.设备的分配与回收
都看到这里啦,不点个赞嘛~
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