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第一章 計算機系統

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

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

1.2 計算機硬體系統

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），都包含有暫存器或高速存盤區域，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、存盤結果

（2）運算器
執行算術運算和邏輯運算，并控制速度

（3）暫存器
提高計算機性能，是高速存盤區域，可以在處理程序中臨時存盤資料

CPU中暫存器的數量和每個暫存器的大小（位數）沒確定CPU的性能和速度
e.g.32位CPU指，暫存器是32位的，可以處理32位的資料

型別：指令暫存器、地址暫存器、存盤暫存器、累加暫存器

（4）總線 （見1.2.5節

總線是CPU內部及在CPU和主板間傳輸資訊的電子資料線路，
可以通過總線訪問各種輸入輸出設備

1.2.2 計算機的基本作業原理

1.計算機指令格式

計算機指令 = 操作碼+運算元（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 2^k 2k條指令，
若有n條指令，則至少有操作碼 [ l o g 1 ( n ? 1 ) ] + 1 [log_1(n-1)]+1 [log1?(n?1)]+1 個二進制位

地址碼用來描述該指令的操作物件，或直接給出運算元，或之處運算元的存盤器地址或暫存器地址（即，暫存器名）

若計算機指令共占n個位元組，則稱該指令為n位元組指令

2.計算機指令的尋址方式

有效地址 ： 指令中運算元的真實地址
由尋址方式和形式地址共同來決定

尋址方式：
確定本條指令的資料地址以及下一條將要執行的指令的地址，與硬體結構密切相關

分為兩類：
（1）指令尋址
分為兩類：

• 順序尋址
• 跳躍尋址

（2）資料尋址
分為：

• 立即尋址（所需運算元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運算元在存盤器中的地址）
• 隱含尋址（運算元隱含在操作碼或某個暫存器中）
• 間接尋址、暫存器尋址、暫存器間接尋址等

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）資料傳送指令
（2）程式控制指令
（3）資料處理指令
（4）輸入/輸出指令
（5）其他指令

4. 計算機執行指令的基本程序

步驟：

• 取指令
  按照程式計數器地址，從記憶體儲器中取出當前要執行的指令送到指令暫存器
• 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資訊，由指令中的指令碼確定運算元存放的地址
• 執行指令
  由控制電路發出一系列控制資訊，由源地址碼所指出的源運算元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
• 修改程式計數器
  一條指令執行完后，根據程式的要求修改程式的計數器的值

5.指令執行的時序

機器周期 記憶體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 存盤器

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

1.RAM存盤器

（1）靜態存盤單元（static RAM, SRAM）
保存資訊穩定、資訊非破壞性讀出
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）動態存盤單元（dynamic RAM, DRAM）
分類：三管式、單管式
靠電容存盤電荷的原理來寄存資訊
電荷自動消失，在2ms之內對存盤單元進行再生或重繪
集成度更高、功耗更低

（3）閃速存盤器
電可擦除非易失器件
抗震、節能、體積小、容量大、便宜

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

5. 存盤器的層次化結構

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 資料的內部表示

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，保持運算元符號不變
（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資料
N = M ? R E N=M\cdotp R^E N=M?RE

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資料的R都是相同的

浮點數的機內表示：

M s + E + M Ms+E+M 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資訊傳輸線，是各個部件共享的傳輸介質

按資訊傳送方式： 串行傳輸、并行傳輸

按功能和實作方式分類：

• 片內總線
  芯片內部的總線
• 系統總線
  計算機各部分的資訊傳輸線
  包括：
  資料總線（雙向總線，寬度與機器字長、存盤字長有關）
  地址總線（單向總線，與存盤地址、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（資料總線的根數）、總線帶寬（資料傳輸效率）、鐘同步/異步 等

（3）總線仲裁
作業包括： 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
• 輔助存盤器
• 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
• 程序控制設備
• 脫機設備

（2）硬碟存盤器
分類：固定磁頭磁盤存盤器、移動磁頭磁盤存盤器
性能指標：存盤密度（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）、存盤容量、存取時間、資料傳輸率（單位時間向主機傳送的資料位元組數）

（3）I/O介面
連接總線和設備

基本功能：

• 實作設備選擇
• 實作資料緩沖以達到速度匹配
• 實作資料串并格式轉換
• 實作電平轉換
• 傳送控制命令
• 反映設備狀態

（4）I/O方式

• 資料查詢
• 程式中斷
• DMA（直接記憶體存取）
• 通道方式

1.3 作業系統

計算機資源： 計算機系統中所有的硬體和軟體

1.3.1 作業系統概述

1. 作業系統的功能與任務

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/輸出作業，提供良好的用戶界面
（4）規定用戶的介面，發現、處理或報告計算機操作程序中出現的各種錯誤

概括的說：作業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式集合

功能與主要任務：
（1）處理機管理
（2）存盤機管理
（3）設備管理
（4）檔案管理
（5）用戶介面

2.作業系統的發展程序

（1）手工操作
（2）批處理系統
（3）多道程式系統
（4）分時系統
（5）個人計算機作業系統

3.作業系統的分類

（1）多道批處理作業系統
多道：計算機記憶體中存入多個用戶
批處理：外存記憶體入大量作業，作業的運行完全由系統控制
（2）分時作業系統
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、互動性、獨立性、及時性
（3）實時作業系統
系統能夠接收資料并以足夠快的速度予以處理和回應
可以控制所有任務協調一致進行
eg.三種典型：
程序控制系統、事務處理系統、資訊查詢系統
（4）網路作業系統
將計算機加入網路中
網路通信、資源管理、網路管理、網路服務、通信透明性
（5）分布式作業系統
由多臺分散的計算機經網路互連而成的系統
（6）嵌入式作業系統
運行于嵌入式系統上的作業系統

1.3.2 行程管理

1.并發程式設計

并發程式的特點 ：
（1）無封閉性
并發式程式的輸出結果受各程式的相對速度有關（結果的不確定性）
（2）程式與執行程序不是一一對應的關系
共享的程式對應多個執行程序
（3）程式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.行程的基本概念

程式本身是一個靜態的概念，不能刻畫多道程式并發執行時的動態特性和并行特性，

行程：
（1）是程式的執行程序
（2）包括程式和資料
（3）可能對應多個程式
（4）程式可能對應多個行程

3.行程的狀態及其轉化

運行、就緒、等待、創建、終止

4.行程控制塊及其組織

PCB（process control block)是行程存在的標志
（1）行程名
（2）特征資訊
（3）執行狀態資訊
（4）通信資訊（該行程與其他行程之間的關系
（5）調度優先數
（6）現場資訊
（7）系統堆疊
（8）行程映像資訊
（9）資源占有資訊
（10）族關系

5.行程調度

可搶占資源、不可搶占資源
調度演算法：
先來先服務、時間片輪轉、優先級調度

1.3.3存盤管理

1.存盤管理功能與地址重定位

（1）存盤管理的功能：

• 地址變換
• 記憶體分配
• 存盤器的共享與保護
• 存盤器擴充

（2）地址重定位：
重定位暫存器（relocation register）加入起始地址，將取出邏輯地址加上重定位暫存器（其內容是程式裝入記憶體的起始地址）形成物理地址，
動態地址重定位:
不要求程式全部裝入固定的記憶體空間，在記憶體中允許程式再次移動位置、而且可以部分地裝入程式運行、便于多個程式運行同一副本，
存盤器管理技術：
基址暫存器BR 限長暫存器LR
實際記憶體地址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.連續存盤管理

1.固定區分配

• 把記憶體劃分成若干大小固定的磁區，一個磁區分給一個作業使用，直到作業完成
• 簡單、硬體支持少、容易產生內部碎片

2.可變區分配

• 在作業調入記憶體時建立一個大小恰好與作業匹配的磁區
• 空閑區域是離散的、出現外部碎片

3.分頁式存盤管理

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

建立程式邏輯頁與記憶體的存盤塊之間的對應關系，借助動態地址重定位，

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

（2）分頁式存盤保護

1. 地址變換時：頁號<頁表長度 （否則視為越界訪問）
2. 增加存取控制與存盤保護的資訊

<優點
有效解決碎片問題、記憶體利用率高、記憶體回收與分配演算法簡單
<缺點
采用動態地址變換增加了硬體成本、降低了處理機速度
分段式存盤及段頁式存盤

4.分段式存盤管理及段頁式存盤管理

（1）分段式：
每段分配連續的存盤空間
短號+段內位移
<解決了程式與資料共享以及程式動態鏈接等問題

段頁式：
段號+段內頁號+頁內位移

5.虛擬存盤器管理

只讓當前用到的資訊進入記憶體、其他尚且用到的資訊留在外存
用于支持虛擬存盤器的外存稱為后備存盤器

（1）請求頁式存盤管理：
作業表JT、頁表PMT、存盤分塊表MBT

（2）請求段式存盤管理：
最優演算法
先進先出演算法
最近最久未用演算法

1.3.4.檔案管理

1.檔案及檔案系統

檔案：一組帶標識（標識即為檔案名）的、邏輯上有完整意義的資訊項的序列，
檔案系統：負責存取和管理檔案資訊的軟體機構
檔案的型別：
用途（系統檔案、庫檔案、用戶檔案
性質（普通檔案、特殊檔案、目錄檔案
保護級別（只讀、讀寫、可執行、流檔案
檔案資料型別（源檔案、目標檔案、可執行檔案
檔案系統模型：層次模型

2.檔案的組織結構

（1） 檔案的邏輯結構
記錄式檔案 在邏輯上被看作是一組順序記錄的集合，一種有結構的流式檔案組織，并且根據記錄檔案長度可分為定長檔案和變長檔案，
流式檔案 又稱無結構檔案，是由一組相關資訊組合成的有序字符流，直接按位元組計算，
（2） 檔案的物理結構
檔案在外部存盤介質上的存放形式，也叫檔案的存盤結構
分類：順序結構、鏈接結構、索引結構

• 順序結構：邏輯上連續的檔案資訊存放在連續編號的物理塊中，只需給出檔案塊號和檔案長度
• 鏈接結構：邏輯上連續的檔案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標
• 索引結構：系統為每個檔案建立索引表，表項指出存放該檔案的各個物理塊號，索引表在檔案屬性說明項中指出，

3.檔案目錄管理

（1） 檔案目錄概念
檔案名與檔案在外存空間中的物理地址的對應
目錄：用于管理檔案

檔案控制塊FCB ：檔案的檔案目錄項
包括： 檔案存取控制、結構、使用、管理的資訊

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

（3） 檔案空閑區的組織
【1】 空閑檔案項和空閑區表
【2】 空閑塊鏈
【3】 位示圖
用若干位元組構成一張表，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/輸出軟體中的層次結構
2.中斷處理程序
3.設備驅動程式
4.與設備無關的I/O軟體
5.用戶層的I/O軟體
6.設備的分配與回收

都看到這里啦，不點個贊嘛~