计算机系统

这是一篇关于计算机系统的思维导图，包含计算机结构、 软件和操作系统等。介绍详细，描述全面，希望对感兴趣的小伙伴有所帮助！

计算机系统

• 计算机结构
  • 主存储器(内存）
    • 存放程序和数据的主要部件
      • 由一组存储单元组成，每个单元都有唯一的标识符，成为地址
      • 字节是计算机中计算存储容量的基本单位
        • 一个字可以是8位，16位，32位，64位的一组比特值
        • 一个8位比特的组合为一个字节（Byte）
    • 地址空间
      • 内存中唯一可以识别不同位置的总数
      • 如果一台计算机有N字节的内存，则需要一个大小为log2N位的无符号整数来表示每个内存位置
    • 存储器类型
      • RAM(随机访问存储器，Random Access Memory）
        • SRAM(静态RAM）
        • DRAM(动态RAM)
        • 同材质的SRAM比DRAM存取速度更快，价格更贵
        • 易失性
      • ROM(只读存储器，Read Only Memory)
        • 非易失性
    • 存储器结构层次
      • （少量）寄存器（高速存储器）→（中等容量）CPU缓存→（大量）主存储器（低速存储器）
  • 中央处理器(CPU)
    • 算术逻辑运算单元(ALU)
      • 算术运算，移位运算，逻辑运算
    • 控制单元（CU)
    • 一组寄存器
      • 数据寄存器
      • 指令寄存器
      • 程序计数器
    • 计算机指令和执行逻辑
      • 组成：操作码，操作数
      • 指令执行周期：取指令→译码指令→执行指令
  • 输入/输出系统
    • 键盘和显示器
    • 打印机
    • 磁盘
    • 光存储设备
      • 只读光盘(CD-ROM),可刻录光盘（CD-R),可重写光盘（CD-RW),数字多功能光盘（DVD)
• 软件和操作系统
  • 软件
    • 计算机用户与计算机硬件之间的接口，通常指运行时能够提供所要求功能和性能的指令或计算机程序的集合
    • 分类
      • 系统软件
        • 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系统
        • 主要功能
          • 调度、监控和维护计算机系统
          • 负责管理计算机系统中各种独立的硬件，使得它们能协调工作
        • 典型的系统软件
          • 各类操作系统，如Windows、Linux、UNIX等
          • 各种语言处理程序，如C/C++编译程序、连接器编译程序、其他各种高级语言程序等
          • 各种数据管理程序，如MySQL、Oracle、Access等
      • 应用软件
        • 指用户使用各种程序设计语言编制的应用程序的集合
        • 满足用户对不同领域、不同问题的应用需求而提供的软件
        • 分类：工具软件、游戏软件、管理软件、财务软件等
  • 操作系统
    • 是计算机硬件和用户（人或者上层应用程序）之间的中间层
    • 分类
      • 批处理操作系统
        • 20世纪早期，现用于简单的应用系统中工作
      • 分时操作系统
        • 现代操作系统的主流，如Windows、macOS、IOS、Android、Linxu等
        • 核心思想：把多道程序装载到内存中，通过计算时间片轮询等手段来共享CPU的执行时间，使这些程序轮流使用CPU，从而体现公平性
      • 实时操作系统
        • 必须在特定的时间内完成特定的任务
        • 常见的实时操作系统：VxWorks,RT-Linux,pSOS+等
      • 并行操作系统
        • 指一个计算机中安装了多个CPU，通过高速内部总线连接在一起，同时协作执行程序
      • 分布式操作系统
        • 是利用互联网上的计算机的CPU的闲置处理能力来解决大型计算问题的一种计算科学
    • 核心功能
      • 处理机管理
        • 程序：由程序员编译的指令的集合，一般存储在外部存储器中
        • 进程：一个驻留在内存中正在运行的程序
        • 线程：进程的执行部分
        • 进程=公共数据资源+线程集
        • 线程/进程调度
          • Schedule程序：操作系统中负责进程/线程调度的部件称为进程调度器或者任务调度器
      • 内存管理
        • 单道程序的内存管理
          • 一个程序正在运行时，其他程序无法运行
        • 多道程序的内存管理
          • 非交换式多道程序：程序在执行过程中一直常驻内存，不会被交换到外部
          • 交换式多道程序：把内存中的段或页和外部存储器中的段和页的数据进行交换
        • 虚拟内存：程序的一部分内容驻留在内存中，一部分内容则放置在外部存储器（如硬盘、SSD等）中
      • 文件管理
        • 文件是指具有符号名（文件名）的一组相关元素的有序序列，是一段程序或数据的集合，如“.doc、.ppt、.exe、.c、.java”
        • 持久化储存
          • 普通硬盘、SSD固态硬盘、光盘等媒介是持久化存储的材料
      • 设备管理
        • 主要体现在设备处理程序（又称驱动程序）的机制设计上，它是I/O系统的高层与设备控制器之间的通信程序，主要任务是接收上层软件发来的抽象I/O要求
        • 分类
          • 按传输速率：低速设备（鼠标，键盘）、中速设备（打印机，激光打印机）、高速设备（磁带机，磁盘机，光盘机等）
          • 按设备使用特性：存储设备、输入/输出设备
          • 按信息交换的单位：块设备(存储信息），字符设备（数据的输入和输出）
          • 按设备的共享性：独占设备（临界资源），共享设备，虚拟设备
    • 大数据分析和处理技术（了解）
      • 数据收集→数据预处理→数据分析/计算方法的确定→确定分析模式→数据可视化
• 一个程序运行的前提是其必须首先被加载到内存中
• 主存储器一般采用RAM存储单元