计算机等级考试计算机基础计算机系统.docx
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计算机等级考试计算机基础计算机系统
第一章计算机系统
1.1概述
1.1.1计算机发展历程
第一阶段：
1946年-20世纪50年代后期：
电子管计算机时代
第二阶段：
20世纪50年代后期-20世纪60年代中期：
晶体管计算机时代
第三阶段：
20世纪60年代中期-20世纪70年代初期：
集成电路计算机时代
第四阶段：
20世纪70年代初期至今：
大规模集成电路计算机时代
1.1.2计算机结构体系
由冯诺依曼提出：
1、计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成；
2、计算机内部采用二进制来表示指令和数据；
3、需要编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后在启动计算机工作。
1.1.3计算机系统基本组成
一个完整的计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分。
计算机硬件是指组成一台计算机的各种物理装置，它们是由借助点、磁、光、机械等原理构成的各种物理部件所组成。
计算机软件是指在硬件设备上运行的各种程序、数据以及有关的资料。
所谓程序实际上是用于指挥计算机执行各种动作以便完成指定任务的指令集合。
裸机是指没有软件系统的计算机。
1.2计算机硬件系统
计算机硬件系统主要包括中央处理器、内存储器（内存）和各种输入/输出设备，它们相互之间通过总线连接到一起。
1、中央处理器包括运算器和控制器。
运算器负责对数据进行算数运算和逻辑运算；
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、输出操作或对内存的访问。
2、存储器
负责存储程序和数据，并根据控制命令提供这些程序和数据。
3、输入设备
负责把用户的信息（包括程序和数据）输入到计算机中。
4、输出设备
负责将计算机中的信息（包括程序和数据）传送到外部媒介供用户查看和保存。
1.2.1中央处理器
中央处理器也叫CPU，是计算机系统的核心。
1、控制器是整个计算机的控制中心和指挥中心，控制器解译存储在CPU中的指令，然后执行指令。
2、运算器可以执行算数运算和逻辑运算，并能控制这些操作的速度。
3、寄存器：
控制器和运算器中都使用寄存器，它是特殊的CPU区域，能提高计算机性能。
4、总线是在CPU内部以及在CPU和主板的其他部件之间传输信息的电子数据线路。
反应CPU品质的最重要的指标是主频与字长：
主频越高，CPU的运算速度就越快，字长是指CPU可以同时处理的二进制数据的位数。
1.2.2计算机的基本工作原理
1、计算机指令格式
操作码：
指令中的操作码指出该指令需要完成操作的类型或性质。
地址码：
指令中的地址码用来描述该指令的操作对象，或者直接给出操作数，或者指出操作数的存储器地址或寄存器地址。
2、计算机指令的寻址方式
指令中操作数的真实地址称为有效地址，它是由寻址方式和形式地址共同来决定的。
寻址方式是指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。
指令寻址：
顺序寻址、跳跃寻址
数据寻址：
立即寻址、直接寻址、隐含寻址、间接寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、堆栈寻址
3、计算机指令系统
某种计算机的所有指令的集合，称为该计算机的指令系统。
指令系统包括：
1、数据传送指令；
2、数据处理指令；
3、程序控制指令；
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
计算机的工作就是自动快速地执行程序，所谓程序是解决实际问题的计算机指令的集合。
执行程序的指令顺序：
1、取指令；
2、分析指令；
3、执行指令；
4、修改程序计数器。
一般把计算机完成一条指令所花费的时间称为一个指令周期，指令周期越短，指令执行就越快。
5、指令执行的时序
计算机工作的过程就是取指令、分析指令、执行指令3个基本动作的重复。
用内存中读取一个指令字的最短时间来规定CPU周期，称为机器周期。
1.2.3存储器
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
存取方式分类：
随机存储器、只读存储器、串行存储器
计算机中的作用分类：
主存、辅存、缓存、闪存
存储器中最重要的是主存储器，主存储器一般采用半导体存储器，与辅助存储器相比有容量小、读写速度快、价格高等特点。
存储器中，访问速度最快的是内存储器。
1、RAM存储器（随机存储器&易失性存储器）
静态存储单元（SRAM）保存的信息比较稳定，并且这些信息为非破坏性读出，故不需要重写或者刷新操作。
动态存储单元（DRAM）常见有三管式和单管式,它们的共同特点是靠电容存储电荷的原理来寄存信息。
与静态RAM相比，动态RAM具有集成度更高、功耗更低等特点，目前被各类计算机广泛使用。
2、只读存储器
只读存储器可分为只读存储器（ROM）、可编程的只读存储器（PROM）、掩膜式MROM、可擦可编程的只读存储器（EPROM）、可电擦可编程只读存储器（EEPROM）。
3、闪速存储器
与磁盘相比，闪速存储器具有抗震、节能、体积小、容量大和价格便宜等特点，作为便携式存储设备而得到广泛使用。
闪存读写操作一般是以块为单位进行的。
4、高速缓冲存储器
高速缓冲存储器地址变换和数据块的替换算法均由硬件实现，通常被集成到CPU内以提高访问速度，解决CPU和主存之间的速度匹配问题。
5、存储器的层次化结构
存储器有3个重要的指标：
速度、容量、每位（bit）价格。
1.2.4数据的内部表示
1、进位计数制及其相互转换
进位计数制是指按照进位制的方法表示数，涉及基数和权两个概念。
基数是进位计数制中所拥有数字的个数，权是每位上数字的值。
将二进制数转换成八进制或者十六进制，可很方便地得到：
由3位为二进制数组成1位既得八进制数；由四位二进制数组成1位既得十六进制数。
2、定点数的表示和运算
计算机中的定点数分为无符号数和带符号数，其表示范围与机器的位数相关。
无符号数是指非负整数，机器字长的全部位数均用来表示数值的大小，相当于数的绝对值。
带符号数是指在计算机中将数的符号数码化。
一般规定二进制的最高位为符号位，最高位为“0”时表示该数为正，为“1”时表示该数位负。
这种在机器中将符号位也数码化的数称为机器数。
根据符号位和数值位的编码方法不同，机器数有原码、补码和反码。
数的反码表示法规定：
正数的反码和原码香甜，负数的反码是对该数的原码除符号位外各位取反（即将“0”变为“1”，“1”变为“0”），一个数的反码的反码还是原码本身。
数的补码表示法规定：
正数的补码和原码相同，负数的补码是在该数的反码的最后一位上加1，一个数的补码的补码还是原码本身，补码可以直接作加减运算。
3、浮点数的表示和运算
浮点数是指小数点位置可浮动的数据。
N=M*
N为浮点数，M为其尾数，E为其阶码，R称为“阶的基数（底）”。
R为一常数，一般为2、8、或16。
1.2.5总线和外设
1、总线
总线是连接计算机中各个部件的信息传输线，是各个部件共享和传输的介质。
总线分为：
片内总线、系统总线、通信总线。
片内总线：
芯片内部的总线。
系统总线：
计算机各部件之间的信息传输线，包括数据总线、地址总线、控制总线。
通信总线：
用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统之间的通信，依据总线的不同传输方式又分为串行通信总线和并行通信总线。
总线的结构通常分为单总线结构和多总线结构。
总线的性能指标包括总线宽度、总线带宽、及时钟同步/异步等。
总线控制器的工作主要包括总线的判优控制和通信控制。
总线仲裁逻辑可分为集中式和分布式两种，前者将控制逻辑集中在一处，后者将控制逻辑分散在总线的各个部件之上。
在总线上的操作主要有读和写、块传送、写后读或读后写、广播和广集等。
总线标准是系统和各模块、模块与模块之间的一个互连的标准界面。
常用的系统总线包括：
ISA、EISA、CESA、PCI、AGP等。
设备总线标准包括：
IDE、SCSI、RS-232、USB等。
2、输入/输出系统
外部设备的分类可分为：
输入/输出设备、辅助存储器、终端设备、过程控制设备和脱机设备等。
从计算机的角度出发，向计算机输入信息的外部设备称为输入设备，接受计算机输出信息的外部设备成为输出设备。
辅助存储器是指主机意外的存储装置，又称后援存储器或外存。
终端设备由输入设备、输出设备和终端控制器组成，终端设备一般通过通信线路与主机相连。
硬盘可分为固定固定磁头磁盘存储器和移动磁盘存储器两种。
磁盘存储器的主要性能指标包括存储密度、存储容量、存取时间和数据传输率等。
I/O接口的基本功能是：
①实现设备的选择。
②实现数据缓冲以达到速度匹配。
③实现数据串并格式转换。
④实现电平转换。
⑤传送控制命令。
⑥反应设备的状态。
I/O方式包括程序查询、程序中断、DMA和通道等。
1.3操作系统
1.3.1操作系统的功能与任务
操作系统的主要作用：
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所发生的各种错误。
操作系统的功能与任务：
1、处理机管理；2、存储器管理；3、设备管理；4、文件管理；5、用户接口。
操作系统的发展过程：
手工操作（无操作系统）-->批处理系统-->多道程序系统-->分时系统-->个人计算机操作系统。
操作系统的分类：
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。
1.3.2进程管理
1、并发程序设计
操作系统的主要目标是提高计算机系统的处理效率，增强系统中各种硬件的并行操作能力。
顺序程序具有顺序性、封闭性、可再现性。
并发程序具有以下几个特点：
并发程序没有封闭性；
程序与其执行过程不是一一对应的；
程序并发执行可以相互制约；
2、进程的基本概念
所谓进程，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。
进程和程序有关，但它与程序又有本质的区别：
①进程是程序在处理机上的一次执行过程，它是动态的概念；
②进程是程序的执行过程，是一次运行活动；
③进程是程序的执行过程，因此，进程的组成应包括程序和数据；
④一个程序可能对应多个进程；
⑤一个进程可能包含多个程序。
3、进程的状态及其转化
4、进场控制块及其组织
进程控制块是由系统为每个进程分别建立的，用以记录对应进程的程序和数据的存储情况，记录进程的动态信息。
进程控制块包括：
1、进程名；2、特征信息；3、执行状态信息；4、通信信息；5、调度优先数；6、现场信息；7、系统栈；8、进程映象信息；9、资源占用信息；10、族关系，文件信息，工作单元等。
进场的物理组织方式通常有线性表和链接表两种。
5、进程调度
进程调度就是按一定策略动态的把CPU分配给处于就绪队列中的某一进程并使之执行的过程。
基本的进程调度算法有以下几种：
①先来先服务调度算法（FCFS）；
②时间片轮转调度算法（RR）；
③优先级调度算法。
1.3.3存储管理
1、存储管理的功能和地址重定位
存储管理的功能：
地址变换、内存分配、存储共享与保护、存储器扩充。
地址重定位包括：
静态地址重定位和动态地址重定位。
存储管理技术：
连续存储管理（界地址存储管理）、分页式存储管理、分段式存储管理及段页式存储管理、虚拟存储器管理。
1.3.4文件管理
1、文件及文件系统
所谓文件，是指一组带标识的、在逻辑上有完整意义的信息项的序列。
所谓文件系统，是指负责存取和管理文件信息的软件机构。
具有代表性的文件系统：
①EXT2/4：
Linux最为常用的文件系统。
②NFS：
网络文件系统，允许多台计算机之间共享文件系统，易于从网络中的计算机上存取文件。
③HPFS：
高性能文件系统，是IBMOS/2的文件系统。
④FAT：
经过不断改进，它已经发展出包含FAT12、FAT16和FAT32的庞大家族。
⑤NTFS：
是微软为了配合WindowsNT的推出而设计的文件系统，为系统提供了极大的安全性和可靠性保障。
2、文件的组织结构
文件的逻辑结构：
是从用户观点出发所见到的文件结构，分为：
记录式文件和流式文件。
文件的物理结构：
是指文件在外部存储介质上的存放形式，分为：
顺序结构、链接结构、索引结构。
3、文件目录管理
每个文件的文件目录项又称文件控制块，文件控制块一般包括：
①有关文件存储控制的信息。
②有关文件结构的信息。
③有关文件使用的信息。
④有关文件管理的信息。
文件目录结构分为：
单级目录、二级目录、多级层次目录、无环图结构目录和图状结构目录。
存取权限可以通过建立访问控制表和存取权限表来实现。
访问控制表是以文件为单位建立的，存取权限表是以用户或用户组为单位建立的。
文件系统中用于管理文件的是目录，大型文件系统主要采用两个措施来进行安全性保护：
1、对文件和目录的权限设置；2、可对文件和目录进行加密。
4、文件空闲区的组织
文件存储空间管理的方案：
1、空闲文件项和空闲区表；2、空闲块链；3、位示图；4、空闲块成组链接法。
1.3.5I/O设备管理
设备管理通常应具有以下基本功能：
外围设备中断处理，缓冲区管理，外围设备的分配，外围设备驱动调度等。
1、输入/输出软件的层次结构
操作系统实现时把输入/输出软件分成以下层次：
中断处理程序、设备驱动程序、与设备无关的I/O软件、用户层的输入/输出软件。
2、中断处理过程
在单CPU机器上的中断处理过程如下：
①检查CPU响应中断的条件是否满足
②如果满足，CPU响应中断，立即关中断；
③保存被中断进程的CPU环境；
④分析产生中断的原因，转入相应设备的中断处理程序；
⑤执行中断处理程序；
⑥恢复被中断进程的CPU现场，返回被中断的程序；
⑦开中断，CPU继续执行。
3、设备驱动程序
设备驱动程序是指驱动物理设备的DMA控制器或I/O控制等直接进行I/O操作的子程序集合。
设备驱动程序的功能如下：
①可将接受到的抽象要求转换为具体要求；
②接受用户的I/O请求；
③去除请求队列中的队首请求，将相应设备分配给它，然后启动该设备工作，完成指定的I/O操作；
④处理来自设备的中断；
4、与设备无关的I/O软件
与设备无关的I/O软件功能如下：
①向用户层软件提供统一接口；
②设备命名；
③设备保护；
④提供一个独立于设备的块。
5、用户层的I/O软件
用户层的I/O软件是I/O系统软件分层中的最上层，它面向程序员，负责与用户和设备无关的I/O软件通信。
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