计算机系统

这是一篇关于计算机系统的思维导图，主要内容包括：5.I/O及主板，8.磁盘管理与文件管理，4.控制器，3.存储器，6.操作系统对CPU的管理，7.内存管理，2.运算器，1.冯-诺依曼计算机的猜想。

计算机系统

• 1.冯-诺依曼计算机的猜想
  • 如何才能实现自动运算
  • 冯·诺依曼计算机的基本思想
    • 存储程序控制原理:
      • 指令和数据以同等地位事先存于存储器,可按地址寻访,连续自动执行。
    • 五大部件构成
      • 运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备
    • 指令和数据用二进制表示
• 2.运算器
  • 基本功能:完成逻辑运算和算术运算，二者由逻辑代数描述
  • 1.CPU简介
    • 主要构成
      • 运算器
      • 控制器
      • 寄存器组
    • CPU的主要功能
      • 计算机的所有操作都有CPU读指令、译码指令、执行指令完成
      • 执行指令
      • 控制全机的各项操作，如:运 算、传送、1/0操作
    • CPU的发展
      • 摩尔定律
        • 半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量每隔18-24个月将增加一倍;性能也将提升一倍
      • 常见CPU企业
    • CPU的主要性能指标
      • CPU种类繁多，体系架构也会有所区别，但基本部件和原理通常相同
      • 字长：CPU在单位时间内一次处理的二进制数的位数叫字长，即64位的CPU在单位时间内处理64位的二进制数据，即8个字节。
      • 外频，CPU的基准频率，决定整块主板的运行速度，通过倍频环形成主频，供CPU使用。
      • 主频（时钟频率）：CPU主频=外频X倍频，表示CPU的运算、处理数据的速度，一定程度上影响着CPU的运行速度。
      • 前端总线(FSB)频率：直接影响CPU与内存直接数据交换速度。即数据带宽=（总线频率X数据位宽)/8，如64位的至强Nocona,前端总线是800MHz,其数据传输最大带宽是6.4GB/秒
  • 2.逻辑运算的实现
    • 逻辑代数：描述客观事物逻辑关系的数学方法
    • 基本逻辑运算
      • 二进制的逻辑运算
        • 与
        • 或
        • 非
        • 异或
        • 同或
      • 基本逻辑运算的物理实现
  • 3.算术运算的实现
    • 加法运算
      • 一位半加器
      • 一位全加器
        • • 当Ai Bi Ci-1中有奇数个1时∑i=1否则为0， 当Ai Bi同时为1 或者 Ai和Bi中有一个为1且Ci-1为1时 本位向高位产生进位及Ci=1
      • 并行加法器
      • 加法器的运算速度主要受什么因素的影响？
        • 主要取决于进位传递速度
    • 四则运算
      • 均转化为加法
        • 减法转化为加法
        • 乘法和除法转换为加法
• 3.存储器
  • 现代计算机通常是以存储器为中心的冯.诺依曼计算机
  • 存储器的主要功能∶按地址存放数据和程序并提供给CPU做计算和处理，因此这里所说的存储器指的是计算机的内存
  • 1.存储器的地址和存储空间
    • • 机器字即访问一次存储器获得的二进制位数
      • 字选线有效时其对应存储单元的内容便可以读出或写入
      • n个地址编码位可以译码2的n次方个状态从而控制2的n次方个存储单元的读写即存储容量为2的n次方
      • 练习
  • 2.存储器的三级存储体系
    • 存储器的目标:容量大、速度快、成本低
    • 主存
      • 所有程序和数据都必须进入主存，才可以被运行和被处理，但是主存的造价高而速度却低于CPU的速度，因此现代计算机在CPU和主存之间增加了高速缓存
    • 高速缓存
      • 通过cache技术 将内存中反复使用的内容 复制到缓存中
    • 辅存
      • 通过虚拟存储技术有效弥补主存容量不足的问题
    • 存储器的分类
• 4.控制器
  • 1.指令系统的设计
    • 在计算机底层程序被解释成指令
    • 控制器的主要功能:
      • 读取指令、译码并执行指令
    • 指令是符合特定硬件设计环境具有特殊格式的机器程序
    • 机器指令的基本格式
      • 操作码
        • 操作码：告诉计算机做什么
      • 地址码
        • 地址码：操作的对象，即数据所在的地址
  • 2.指令的自动执行
    • • ALU的两个输入端和一个输出端 均与寄存器相连说明其参与运算的两个数和运算结果都由运算器中的数据寄存器来临时存储
      • 指令寄存器IR用于存放正在执行的指令
      • 程序计数器PC用于存放下一条即将执行的指令的地址
      • 时钟与节拍发生器用于产生时钟节拍使控制信号有序的产生并发生作用
• 8.磁盘管理与文件管理
  • 磁盘用磁性存储介质存储二进制信息
  • 文件管理
    • 索引，分层结构(树形结构)
  • 磁盘管理
    • 基本原理：化整为零，还零为整
    • 扇区：分成等大、小块的存储空间
    • 簇块:若干个连续的扇区,以其为单位对磁盘进行读写(不连续存放)
    • 文件分配表(FAT表)：是专用于记录文件各簇块在磁盘上相互衔接关系的信息区域其编号与磁盘簇块编号有一-对应关系
    • 文件目录:磁盘上用于记录文件名 文件大小 更新时间等文件属性的信息区域
    • 操作系统会将 文件存储在磁盘上的第一个簇块的编号存放在文件目录中并将后续簇块的存放位置存放在文件分配表中。当用户需要读取或修改该文件时，只需要提供文件名，操作系统便可以根据文件目录及文件分配表从而访问到整个文件在磁盘中的信息
• 7.内存管理
  • 目的：协调内存使用
  • 多任务环境下的内存管理
    • 方法
      • 虚拟存储技术
        • 为了扩大主存的容量，在存储管理部件(硬件)和操作系统中的存储管理软件的支持下，将主存和辅存的一部分作为一个整体，将它们的地址空问统一编址，为用户提供一个比实际主存的容量大得多的地址空间，称其为虚拟存储器。
• 6.操作系统对CPU的管理
  • 1.操作系统简介
    • 是什么
    • 引导操作系统
    • 主要功能
      • 资源管理
        • 处理器管理
        • 内存管理
        • 磁盘管理
        • I/O设备管理
      • 人机交互
    • 操作系统的分类
      • 分时操作系统
      • 实时操作系统
      • 分布式操作系统
      • 网络操作系统
      • 嵌入式操作系统
      • 个人桌面操作系统
  • 2.操作系统对CPU的管理
    • 主要是对CPU时间段的管理
    • 程序与进程
      • 程序:以文件形式存储于磁盘上的程序文件
      • 进程:可运行文件在操作系统的管理下被装载到内存，形成进程。
        • 同一个程序可以被装载多次，形成多个进程，互不干扰地被执行
      • CPU资源的分时共享
        • 多任务共享一个CPU资源为各个任务分配CPU时间片，在任务之间进行切换
        • 一个进程又被细分为更小的线程，线程是更细小的CPU时间段
    • 目的
      • 最大限度提高CPU的利用率
• 5.I/O及主板
  • 1.I/O设备及I/O接口
    • 接口
      • 泛指两个设备(软，硬)之间的交接部分I/O设备都是通过接口与主机相连的
    • 为什么需要I/O接口(电路
      • 微机的外部设备多种多样工作原理、驱动方式、信息格式、以及工作速度方面彼此差别很大因此必须经过中间电路再与系统相连这部分电路被称为I/O接口电路
    • I/O接口完成的功能
      • 与CPU和I/0设备进行联络
      • 对输入输出数据进行缓冲和锁存
      • 对信号的形式和数据的格式进行变换
      • 对I/0端口进行寻址
    • I/O接口
  • 2.主板及总线
    • 主板是PC机硬件系统 集中管理的核心载体它控制着整个系统中各部件之间的指令流和数据流
      • 注意:各生产产商及主板系列不同，主板的体系架 构及技术架构也会有所区别
    • 总线(Bus)是微型计算机中用于连接CPU、存储器、输入 输出接口等部件的一组信号线和控制电路，是系统内各种 部件之间共享的一组公共数据传输线路。
      • 优点
        • 可减少信息传送线路的数目，提高可靠性。
        • 增加了计算机扩充内存和添加外部设备的灵活性。
        • 统一的总线标准更容易使不同设备间实现互连。
      • 内部总线
        • 内部总线:位于微处理器的内部，用于在运算器(ALU)、控制器和各 种寄存器之间的相互连接及信息传送,属于芯片一级的互连。
      • 系统总线(外部总线)
        • 系统总线:主板上连接微型计算机中各功能部件之间的总线,属于插件板一级的互连。
        • 系统总线分为3个功能组
          • 地址总线AB(Address Bus)
            • 地址总线AB:用于传送由CPU发出的地址信息，地址总线是单向总线其位数决定了CPU可直接寻址的内存空间大小。
              • 32位微机的地址总线宽度(位数)为32bit，则其可寻址空间为2²³=4GB。
          • 数据总线DB(Data Bus)
            • 数据总线DB:用于传送数据信息，是双向总线。数据总线的位数通常与CPU的字长一致，是微型计算机的一个重要的性能指标。
              • 如64位的计算机则数据总线通常也为64根
          • 控制总线CB(Control Bus)
            • 控制总线CB:用于传送控制器的控制信息和外部设备的状态信息，
      • 决定总线性能的主要参数
        • 总线位宽
          • 总线每次传输，能同时传送的数据位数。
        • 总线工作时钟频率
          • 以MHz为单位，表示总线每秒钟工作的次数
        • 总线带宽
          • 是指一定时间内总线上可传送的数据量。即：总线带宽=总线位宽*总线工作时钟频率