計算機系統(tǒng)知識

計算機基本結(jié)構(gòu)的設(shè)計采用馮.諾依曼提出的思想和原理，人們把符合這種設(shè)計的計算機稱為馮.諾依曼機，其工作原理是結(jié)構(gòu)存儲程序控制。"存儲程序”思想是馮 諾依曼等人在1946年6月首先提出來的，它可以簡要地概括為以下幾點：

?計算機(指硬件)由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大基本部件組成；

?計算機內(nèi)部用二進制來表示指令和數(shù)據(jù)；

?需將編好的程序和原始數(shù)據(jù)事先存入存儲器中，然后再啟動計算機工作。

一個完整的計算機系統(tǒng)應(yīng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系兩大部分。

?硬件系統(tǒng)由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大基本部件組成；

?軟件系統(tǒng)又分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。

計算機的功能不僅取決于硬件系統(tǒng)，而且在更大程度上是由所安裝的軟件系統(tǒng)所決定的。

計算機中中央處理器 （CPU) 和主存儲器（內(nèi)存儲器）構(gòu)成主機。除了主機以外，圍繞主機設(shè)置的各種硬件裝置稱為外部設(shè)備。外部設(shè)備的種類很多，應(yīng)用比較廣泛的有輸入/輸出設(shè)備、外部存儲器(輔助存儲器）和終端設(shè)備。

外存儲器的容量一般都比較大，而且大部分可以移動，便于在不同計算機之間進行信息交流。外存儲器中數(shù)據(jù)被讀入內(nèi)存儲器后，才能被CPU讀取，CPU不能直接訪問外存儲器。要使用外存儲器中的信息，應(yīng)先將其調(diào)入內(nèi)存儲器。

存儲器有3個重要的指標(biāo)：速度、容量和每位 (bit)價格。一般來說，速度越快，位價格越高；容量越大，位價格越低：容量越大，速度越低。計算機存儲器的速度比較：寄存器>緩存>主存>磁盤>磁帶。

根據(jù)符號位和數(shù)值位的編碼方法不同，機器數(shù)有原碼、補碼和反碼3種表示。整數(shù)在計算機中存儲和運算通常采用的格式是補碼。

帶符號的定點數(shù)中，正數(shù)的原碼、反碼、補碼均相同；

負(fù)數(shù)的反碼是對該數(shù)的原碼除符號位外各位取反，補碼是在該數(shù)的反碼的最后（即最右邊）一位上加1；

不管是正數(shù)還是負(fù)數(shù)，其補碼的符號位取反即是偏移碼。

??I/O方式包括程序查詢、程序中斷、直接存儲器存取(DMA）和通道控制等。

* 通道控制方式：可以做到一個通道控制多臺設(shè)備與內(nèi)存進行數(shù)據(jù)交換，因而，通道方式進一步減輕了CPU的工作負(fù)擔(dān)，增加了計算機系統(tǒng)的并行工作程度。

* 程序查詢方式：當(dāng)CPU需要執(zhí)行I/O操作時，程序?qū)⒅鲃硬樵僆/O設(shè)備是否準(zhǔn)備好。如果準(zhǔn)備好，CPU執(zhí)行I/O操作；否則CPU會一直查詢并等待設(shè)備準(zhǔn)備好后執(zhí)行I/O操作，這就會使CPU大部分時間處于等待狀態(tài)，系統(tǒng)效率不高。

* 程序中斷方式：計算機在執(zhí)行程序的過程中，當(dāng)出現(xiàn)異常情況或特殊情況時，CPU停止當(dāng)前程序的運行，轉(zhuǎn)而執(zhí)行對這些異常情況或特殊情況進行處理的程序（稱為中斷服務(wù)處理程序），處理結(jié)束之后再返回到現(xiàn)行程序的斷點出繼續(xù)運行，該過程就是中斷。

??操作系統(tǒng)

?在操作系統(tǒng)中，將文件名轉(zhuǎn)換為文件存儲地址的結(jié)構(gòu)是文件目錄。

* 分類：

? ? * 分時操作系統(tǒng)：允許多個聯(lián)機用戶同時使用一臺計算機系統(tǒng)進行計算的操作系統(tǒng)。分時系統(tǒng)把中央處理器的時間劃分成時間片，輪流分配給每個聯(lián)機終端用戶，每個用戶只能在極短時間內(nèi)執(zhí)行，若程序未執(zhí)行完，則等待分到下次時間片時再執(zhí)行。這樣，系統(tǒng)的每個用戶的每次要求都能得到快速響應(yīng)，且用戶感覺好像自己獨占計算機。

? ? * 實時操作系統(tǒng)：指當(dāng)外界事件或數(shù)據(jù)產(chǎn)生時，系統(tǒng)能夠接收并以足夠快的速度予以處理和響應(yīng)，能夠控制所有任務(wù)協(xié)調(diào)一致運行。

? ? ? ? - 目前有3種典型的實時系統(tǒng)：

? ?過程控制系統(tǒng)（如工業(yè)生產(chǎn)自動控制、航空器飛行控制和航天器發(fā)射控制）、

? ?信息查詢系統(tǒng)(如倉庫管理系統(tǒng)、圖書資料查詢系統(tǒng)）

? ?事務(wù)處理系統(tǒng)（如飛機或鐵路訂票系統(tǒng)、銀行管理系統(tǒng)）。過程控制系統(tǒng)屬于實時系統(tǒng)。

? ? * 分布式操作系統(tǒng)：

? ? * 嵌入式操作系統(tǒng)：

* 功能和任務(wù)：處理機管理（進程管理）、存儲管理、設(shè)備管理、文件管理、用戶接口。

CPU主要包括運算器和控制器兩部分。

?運算器負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)進行加工處理，也就是對數(shù)據(jù)進行算術(shù)運算和邏輯運算；

?控制器負(fù)責(zé)對程序所規(guī)定的指令進行分析，控制并協(xié)調(diào)輸入、輸出操作或?qū)?nèi)存的訪問。

一般把計算機完成一條指令所花費的時間稱為一個指令周期。指令周期越短，指令執(zhí)行就越快。

地址重定位建立用戶程序的邏輯地址與物理地址之間的對應(yīng)關(guān)系，實現(xiàn)方式包括靜態(tài)地址重定位和動態(tài)地址重定位。

* 靜態(tài)地址重定位是在程序執(zhí)行之前由操作系統(tǒng)的重定位裝入程序完成，程序必須占用連續(xù)的內(nèi)存空間，且一旦裝入內(nèi)存后，程序不便于移動。

* 動態(tài)地址重定位在程序執(zhí)行期間進行，由專門的硬件機構(gòu)來完成，通常采用一個重定位寄存器，在每次進行存儲訪問時，將取出的邏輯地址加上重定位寄存器的內(nèi)容形成物理地址。不需要占用連續(xù)的內(nèi)存空間

??動態(tài)地址重定位的優(yōu)點是不要求程序裝入固定的內(nèi)存空間，在內(nèi)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，同時也便于多個作業(yè)共享同一程序的副本。

計算機工作的過程/本質(zhì)就是取指令、分析指令、執(zhí)行指令3個基本動作的重復(fù)。

考慮到所有的器件中存儲器的速度很慢，CPU訪問一次內(nèi)存所花的時問較長，因此，通常用內(nèi)存中讀取一個指令字的最短時問來規(guī)定CPU周期，也稱為機器周期。

機器周期的同步標(biāo)準(zhǔn)是CPU訪問存儲器一次所需要的時間。

?由于指令執(zhí)行時取指令必須訪問存儲器，所以占用一個機器周期。

?分析指令是由指令譯碼電路完成的，所占用的時間極短，無須分配個完整的機器周期，一般是在取指周期后期（取指結(jié)束之前的很短時間內(nèi)）就可以完成。

?指令的執(zhí)行和指令中的操作數(shù)有關(guān)，比較復(fù)雜：可能不訪問存儲器（無操作數(shù)）；訪問一次存儲器（單地址直接尋址等）；訪問兩次或多次存儲器等。因此，指令執(zhí)行可能會是一個機器周期到幾個機器周期。

總線帶寬可理解為總線的數(shù)據(jù)傳輸率，即單位時間內(nèi)總線上傳輸數(shù)據(jù)的位數(shù)，通常用每秒傳輸信息的字節(jié)數(shù)來衡量，單位可用MBps(兆宇節(jié)每秒)表示。

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(zhì)。其性能指標(biāo)包括總線寬度（數(shù)據(jù)總線的根數(shù)）、總線帶寬（數(shù)據(jù)傳輸率）及時鐘同步/異步等。

總線按功能層次可以分為片內(nèi)總線（內(nèi)部總線）、系統(tǒng)總線和通信總線3類。

片內(nèi)總線是指芯片內(nèi)部的總線，如在CPU芯片內(nèi)部寄存器與寄存器之間、寄存器與邏輯單元ALU之間都由片內(nèi)總線連接。//芯片內(nèi)連接各元件的總線是內(nèi)部總線。

在執(zhí)行指令過程中，CPU不經(jīng)過總線就能直接訪問的是寄存器。

計算機中，CPU通過總線與內(nèi)存、外設(shè)等連接。

??進程：是指一個具有一定獨立功能的程序關(guān)于某個數(shù)據(jù)集合的一次運行活動。簡單地說，進程是可以并發(fā)執(zhí)行的程序的執(zhí)行過程，它是控制程序管理下的基本的多道程序單位。//進程是程序執(zhí)行過程。

?進程是可以并發(fā)執(zhí)行的程序的執(zhí)行過程，它具有動態(tài)性、共享性、獨立性、制約性和并發(fā)性5種屬性。

?進程借助創(chuàng)建原語實現(xiàn)創(chuàng)建一個新進程。系統(tǒng)在創(chuàng)建一個進程時需要調(diào)用創(chuàng)建進程原語。

?進程調(diào)度就是按一定策略動態(tài)地把CPU分配給處于就緒隊列中的某一進程并使之執(zhí)行的過程。進程調(diào)度亦可稱為處理器調(diào)度或低級調(diào)度，相應(yīng)的進程調(diào)度程序可稱為分配程序或低級調(diào)度程序。因此，進程調(diào)度僅負(fù)責(zé)對CPU進行分配。

進程控制塊 （PCB） 是由系統(tǒng)為每個進程分別建立的，用以記錄對應(yīng)進程的程序和數(shù)據(jù)的存儲情況，記錄進程的動態(tài)信息。系統(tǒng)根據(jù)PCB而感知進程的存在，根據(jù)PCB中的信息對進程實施控制管理。當(dāng)進程結(jié)束時，系統(tǒng)即收回它的PCB，進程也隨之消亡。因此可以說，PCB是一個進程存在的唯一標(biāo)志。

??一般來說，一個進程的活動情況至少可以劃分為運行狀態(tài)、就緒狀態(tài)、阻塞（等待）狀態(tài)、創(chuàng)建狀態(tài)和終止?fàn)顟B(tài)5種。其中，就緒、運行和阻塞3種基本狀態(tài)之間在一定條件下是可以相互轉(zhuǎn)化的。

進程在就緒狀態(tài)下（已獲得除CPU以外的所有所需運行資源），一旦分配到CPU，就轉(zhuǎn)化為運行狀態(tài)。

一個進程正在等待某一事件（如等待輸入輸出操作的完成、等待某系統(tǒng)資源、等待其他進程來的信息等）的發(fā)生而暫時停止執(zhí)行。在這種狀態(tài)下，即使把CPU分配給它，該進程也不能運行，即處于等待狀態(tài)，又稱為阻塞狀態(tài)或封鎖狀態(tài)。

處于等待（阻塞）狀態(tài)的進程，如果它等待的事件已經(jīng)發(fā)生，即條件得到滿足，就轉(zhuǎn)為就緒狀態(tài)。

進程創(chuàng)建完成后會進入就緒狀態(tài)，處于就緒狀態(tài)的進程可以有多個。

處于運行狀態(tài)的進程，分配給它的時間片用完，就讓出CPU而轉(zhuǎn)為就緒狀態(tài)；

處于就緒狀態(tài)的進程，一旦分配到CPU，就轉(zhuǎn)化為運行狀態(tài)。

?一個正在運行的進程由于所申請的資源得不到滿足，進程將從運行狀態(tài)變遷為等待（阻塞）狀態(tài)，需要調(diào)用阻塞進程原語。

?當(dāng)一進程在運行狀態(tài)下結(jié)束時，釋放進程占有的資源，調(diào)用撒銷進程原語。

?喚醒進程原語是把進程從等待隊列里移出到就緒隊列并設(shè)置進程為就緒狀態(tài)。當(dāng)一個進程在運行過程中釋放了系統(tǒng)資源后進入就緒狀態(tài)，調(diào)用喚醒進程原語。

一個進程的活動情況至少可以劃分為以下5種基本狀態(tài)：

?(1)運行狀態(tài)處于運行狀態(tài)的進程實際上正占據(jù)著CPU。顯然，處于這種狀態(tài)的進程數(shù)目不能多于CPU的數(shù)目。在單CPU的情況下，處于運行狀態(tài)的進程只能有一個。

?(2)就緒狀態(tài)這種狀態(tài)下的進程已獲得除CPU以外的一切所需資源，只是因為缺少CPU而不能運行，一旦獲得CPU，已就立即投入運行。

?(3) 等待狀態(tài)一個進程正在等待某一事件的發(fā)生而暫時停止執(zhí)行。在這種狀態(tài)下，即使把CPU分配給它，該進程也不能運行，即處于等待狀態(tài)，又稱為阻塞狀態(tài)或封鎖大態(tài)。

?(4)創(chuàng)建狀態(tài)進程正在創(chuàng)建過程中，尚不能執(zhí)行。

?(5)終止?fàn)顟B(tài)進程運行結(jié)束。

??虛擬存儲器：

?使存儲系統(tǒng)既具有相當(dāng)于外存的容量又有接近于主存的訪問速度

?實際物理存儲空間可以小于虛擬地址空間

?是對主存的邏輯擴展，虛擬存儲器的空間大小取決于計算機的訪存能力而不是實際外存的大小。

虛擬內(nèi)存的作用同物理內(nèi)存一樣，只不過是從硬盤存儲空間劃出的部分，來完成內(nèi)存的工作，由于不是真正的內(nèi)存，所以被稱為虛擬內(nèi)存。計算機所支持的最大內(nèi)存是由該計算機的地址位數(shù)決定的，也就是計算機的最大尋址能力。例如，32位機的尋址能力為2的32次方，大約為4G。所以虛擬內(nèi)存的大小受計算機地址位數(shù)的限制。

順序程序具有順序性、封閉性和可再現(xiàn)性的特點，使得程序設(shè)計者能夠控制程序執(zhí)行的過程(包括執(zhí)行順序、執(zhí)行時間），對程序執(zhí)行的中間結(jié)果和狀態(tài)可以預(yù)先估計，這樣就可以方便地進行程序的測試和調(diào)試。

順序程序不具有并發(fā)性。并發(fā)性是并發(fā)程序的特點。

一個計算機系統(tǒng)中有成干上萬個文件，為了便于對文件進行存取和管理，計算機系統(tǒng)建立文件的索引，即文件名和文件物理位置之間的映射關(guān)系，這種文件的索引稱為文件目錄。在操作系統(tǒng)中，將文件名轉(zhuǎn)換為文件存儲地址的結(jié)構(gòu)是文件目錄。

直接尋址中指令的地址碼部分給出的是操作數(shù)的真正地址。

間接尋址是相當(dāng)于直接尋址而言的，指令的地址碼給出的不是操作數(shù)的真正地址，而是操作數(shù)有效地址所在的存儲單元的地址，也就是操作數(shù)地址的地址。

立即尋址

隱含尋址

計算機內(nèi)部采用二進制來表示指令和數(shù)據(jù)。

連續(xù)存儲管理也稱為界地址存儲管理，基本特點是內(nèi)存空間被劃分成一個個分區(qū)，一個作業(yè)占一個分區(qū)，即系統(tǒng)和用戶作業(yè)都以分區(qū)為單位享用內(nèi)存。在分區(qū)分配方式中，分區(qū)的大小可以是固定的（稱為固定分區(qū)），也可以是可變的（稱為可變分區(qū)或動態(tài)分區(qū)）。常用的連續(xù)存儲管理技術(shù)有固定分區(qū)管理和可變分區(qū)管理。

操作系統(tǒng)的功能和任務(wù)主要有處理機管理（進程管理）、存儲管理、設(shè)備管理、文件管理和用戶接口。

文件是指一組帶標(biāo)識（標(biāo)識即為文件名）的具有完整邏輯意義的相關(guān)信息的集合。文件屬性包括文件類型、文件名稱、文件長度、文件的物理地址、文件的建立時間等。不包括文件內(nèi)容。

多道程序設(shè)計技術(shù)是指允許多個程序同時進入內(nèi)存并運行。即同時把多個程序放入內(nèi)存，并允許它們交替在CPU中運行，多個程序可共享系統(tǒng)中的各種硬、軟件資源。當(dāng)一個程序因I/O請求而暫停運行時，CPU便立即轉(zhuǎn)去運行另一個程序。程序和計算機執(zhí)行程序的活動不再一一對應(yīng)。多個程序并發(fā)執(zhí)行是多道程序系統(tǒng)的特點。多道程序環(huán)境下，單CPU的計算機允許多個進程并發(fā)執(zhí)行。

緩沖技術(shù)是為了協(xié)調(diào)吞吐速度相差很大的設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳送而采用的技術(shù)。//計算機中的緩沖技術(shù)用于提高主機和設(shè)備交換信息的速度。

為了緩和CPU和I/O設(shè)備速度不匹配的矛盾，提高CPU和I/O設(shè)備的并行性，在現(xiàn)代操作系統(tǒng)中，幾乎所有的1/0設(shè)備在與處理器交換數(shù)據(jù)時都用了緩沖區(qū)，并提供獲得和釋放緩沖區(qū)的手段。

"存儲程序”思想是馮 諾依曼等人在1946年6月首先提出來的，它可以簡要地概括為以下幾點：

?計算機(指硬件)由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大基本部件組成?

?算機內(nèi)部用二進制來表示指令和數(shù)據(jù)

?需將編好的程序和原始數(shù)據(jù)事先存入存儲器中，然后再啟動計算機工作。