第一章节 计算机原理及网络概述 1.2操作系统

软考网络工程师，整理了计算机系统组成、CPU系统组成、指令系统、数据的表示及运算、存储体系、I/O系统、总线系统的知识，快来一起学习呀！

1.1计算机组成原理

• 1.1.1计算机系统组成
  • CPU的定义
    • 定义：运算器和控制器合称中央处理器（CPU）
  • CPU的功能
    • 1.程序控制：CPU通过执行指令来控制程序的执行顺序
    • 2.操作控制：控制器生成每条指令的操作信号，传送到不同的部件并控制各部件的操作
    • 3.时序控制：控制器通过时序电路产生的时钟信号进行定时，来控制各种操作有序进行
    • 4.数据处理：运算器完成对数据的加工处理
  • CPU的构成
    • 运算器、控制器、寄存器组和内部总线等部件
• 1.1.2CPU系统组成
  • 运算器
    • 算数逻辑单元（ALU）执行算术或逻辑运算
    • 累加器（AC）保存操作数和运算结果
    • 通用寄存器（GR）存储操作熟或地址。其作用是减少CPU访问存储器的次数，提高运算速度
  • 控制器
    • 程序计数器（PC）存储程序指令起始地址。用于CPU从内存中读取待执行的指令。程序员可访问
    • 指令寄存器（IR）存储从内存取出的、正在运行的指令。用于指令译码器分析指令
  • 寄存器组
    • 状态寄存器（SR）用于保存指令执行完成后产生的信息信息，以及中断和系统工作状态
    • 地址寄存器（AR）用来保存当前CPU所访问的内存单元的地址
• 1.1.3指令系统
  • 1.基本概念
    • 指令系统也叫机器语言，是计算器所具有的全部机器指令的集合，反映了计算机所拥有的基础功能
      • 1.指令由操作码和地址码构成
        • 操作码指明了指令的操作功能
        • 地址码给出了操作数或是操作数的地址
      • 2.指令系统功能
        • 数据传输
        • 算数逻辑操作
        • 移位操作
        • 控制操作
      • 3.指令长度
        • 分为固定长度和可变长度，一般字节的整数倍
  • 2.寻址方式
    • 指令寻址方式是指处理器根据指令中的地址码字段，查找操作数或是操作数地址的方式。常用的方法有7种
      • 1.立即寻址
        • 操作数就包含在指令中。指令的地址码字段给出的不是地址而是数据。(速度最快)
      • 2.直接寻址
        • 操作数存放在内存中，指令中直接给出操作数所在内存单元的地址
      • 3.间接寻址
        • 指令中给出操作数地址的地址。需要通过一次或多次访问主存来获取操作数
      • 4.寄存器寻址
        • 操作数存放在某一寄存器中，指令中给出操作数的地址是寄存器编号。
      • 5.寄存器间接寻址
        • 操作数存放在内存中，操作数所在内存地址放在某个寄存器中。
      • 6.相对寻址
        • 指令中的地址码给出的是一个偏移量，操作数地址等于程序计数器PC中的地址加上指令中的偏移量。
      • 7.变址寻址
        • 指令中的地址码给出的是一个地址(通常是起始地址)，操作数地址等于指令中的地址加上变址寄存器中的偏移量。
  • 3.指令集
    • 指令系统也叫机器语言，是计算器所具有的全部机器指令的集合，反映了计算机所拥有的基础功能
  • 4.流水线
    • 1.流水线周期 = 执行时间最长的那个指令（例如： 取指3ns，分析2ns, 执行4ns）
    • 2.流水线执行时间 = （取指t + 分析t +执行t）+（总指令-1）*流水线时间
    • 3.流水线技术指标：吞吐率=总指令数/流水线执行时间
• 1.1.4数据的表示及运算
  • 机器码
  • 逻辑运算
• 1.1.5存储体系
  • 层次结构
    • 层次
      • 大多数计算机都采用3层存储架构。
    • 结构
      • 高速缓冲存储器cache、主存储器、外存储器。
    • 目的
      • 解决存储容量、成本和速度之间的矛盾
    • 访问
      • 高速缓存和主存可以直接被CPU访问。
    • 原理
      • 原理:程序存储在外存上。CPU要执行程序，先把程序从外存调入内存,再调入高速缓存，最后被CPU执行。
  • 主存储器
    • 定义
      • 主存储器简称主存或内存，用来存放当前正在使用的或将要使用的数据和程序
    • 种类
      • 1.随机存储器RAM:特点是数据可读写，断电后会丢失数据。（RAM又分为用于制作内存的DRAM动态存储器和用于制作高速缓存的SRAM静态存储器）
      • 2.只读存储器ROM:特点是只能读取数据，断电后不会丢失数据（特例:PROM和EPROM可擦除可编程只读存储器，PROM只能写入一次，EPROM可以多次写入）
  • Cache
    • 定义
      • 高速缓存是为了解决CPU和主存速率不匹配而设置的。是介于CPU和主存之间的小容量存储器，存取速度比主存快。
    • 原理
      • CPU每次读取数据时，先访问高速缓存。如果没有找到数据，才会再次访问主存，并把找到的数据放入高速缓存中。
    • 结构
      • Cache由控制部分和存储器构成。存储器用来存放数据。控制部分的功能是判断CPU要访问的信息是否在Cache中，若在即为命中。
  • 外存储器
    • 定义
      • 用来存放暂时不用的程序和数据，并且以文件的形式存储。
    • 原理
      • CPU不能直接访问外存中的程序和数据，只有将其以文件为单位，调入主存后，才可以访问。
    • 特点
      • 存储容量大，存取速度慢，单位成本低
    • 种类
      • 硬盘，Flash闪存盘（u盘，固态硬盘），光盘(CD和DVD-ROM）等。
  • 相关术语
    • 存储方式
      • 存储方式:顺序存取(磁带)，直接存取(硬盘),随机存取(内存)，相关存取(Cache)
    • 存储容量
      • bit → Byte →KB → MB →GB →TB
    • 位示图计算
      • 硬盘容量 % 物理快大小 % 计算机字长
• 1.1.6I/O系统
  • 基本概念
    • I/O系统是输入设备和输出设备的总称。输入设备包括键盘等设备，输出设备包括显示器等设备。
    • I/O接口是I/O设备在设备主板上的各个接口。主要功能是完成数据缓存，程序中断和管理等功能。
  • I/O接口分类
    • 按传送方式:并行接口和串行接口。按时序控制方式:同步接口和异步接
    • 按主机访问l/O设备的控制方式:程序查询接口，中断接口，DMA接口。
  • 接口控制方式
    • 1．直接程序控制:也叫轮询方式，CPU需要对各个I/O设备的状态进行循环检查。CPU利用率最低。
    • 2.中断方式:I/O接口中设置中断控制器，当I/O设备发出中断请求后，CPU暂停执行现行程序，使用堆栈保护好程序的断点和中断服务程序入口，转而去处理中断请求，处理完成后再返回来继续执行程序。
    • 3.DMA方式:DMA方式采用专门的DMA控制器来管理内存与外设的数据传送，在不受CPU干预的情况下,控制I/O设备与系统主存之间的直接数据传输。CPU利用率最高。
• 1.1.7总线系统
  • 定义
    • 总线是一组用来连接计算机各个设备的公共信息传送线路
  • 按工作任务分类
    • 1.数据总线: 用于传送数据。可以在CPU，存储器和I/O设备之间双向传送数据。
    • 2.地址总线：用于传送地址。而且只能单方向从CPU传向外部设备
    • 3.控制总线：用来传送控制信号和时序信号。控制总线采用双向传送数据，具体方向由控制信号决定
  • 按数据传输方式
    • 1.并行线路：并行线路是数据一组一组的同时发送。常见总线有内存，PATA硬盘，PCI等。
    • 2.串行总线：串行就是数据是一位一位的顺序发送。常见总线有USB，SATA硬盘，PCI-E，UART，I2C等。
  • 按物理结构分类
    • 1.单总线结构：用一条系统总线将各个部件连接起来
    • 2.双总线结构：在单总线的基础上，在CPU和主存之间专门架设一组高速存储总线。
    • 3.三总线结构：在双总线的基础上增加了I/O总线，适用于大型计算机
  • 总线带宽
    • 总线带宽：是指总线的最大数据传输率，即每秒传输的数据总量
    • 计算公式：总线带宽（MB/s）=总线宽度*传输能力（时钟频率/时钟频率）

1.2 操作系统

• 1.2.1操作系统的基本概念
  • 定义
    • 操作系统（OS）是计算机系统中的一个系统软件。主要作用是资源管理和提供用户界面。通过资源管理，提高计算系统的工作效率，通过改善人机界面，为用户提供友好的工作环境
  • 特征
    • 并发性：是指计算机系统中存在着许多同时进行的活动。
    • 共享性：是指系统中各个并发活动共享计算机中的各种软件硬件资源
    • 虚拟性：是指物理上的一台设备变成逻辑上的多台设备
  • 分类
    • windows操作系统、Unix操作系统、类Unix操作系统（Linux系统，中标麒麟，Android，IOS）
  • 功能
    • 处理机管理、存储管理、设备管理、文件管理、作业管理
• 1.2.2处理机管理
  • 进程和线程
    • 程序
      • 程序是指令的集合，是静态的代码。
    • 进程
      • 进程是正在运行中的程序，是动态的。
      • 进程是资源分配的最小单位
      • 进程的基本特征：动态性，并发性，独立性，异步性
    • 线程
      • 进程在执行过程中的每一个任务就是一个线程
      • 进程由一个或多个线程组成，线程之间共享进程的资源
      • 线程是CPU调度的最小单位
  • 进程
    • 三种状态
      • 运行：进程占有处理器正在运行
      • 就绪：进程已经具备运行条件，等待系统分配处理器以便运行
      • 阻塞：又称睡眠态，是指进程不具备运行条件，正在等待某个事件的完成
    • 状态的转化
      • 运行->阻塞：等待使用资源或某事件发生。例如等待外设传输、人工干预
      • 阻塞->就绪：资源得到满足或某事件已经发生。例如外设传输结束，干预完成
      • 就绪->运行：当CPU空闲时，被调度算法选中的一个进程，被CPU分配资源，开始运行
      • 运行->堵塞：CPU分配的运行时间片用完，或出现更高优先权进程
  • 进程的四个概念
    • 进程的同步
      • 同步是指多个进程在某些确认点上协调工作顺序的过程。是进程之间的之间约束关系。
    • 进程的互斥
      • 互斥是指当一个进程使用临界资源时，另一个进程必须等待。是进程之间的间接约束关系
    • 信号量机制
      • 信号量是指解决进程同步与互斥的工具。信号量可分为两类：公用信号量，用于实现进程间的互斥，初值等于1或资源数量。私有信号量，用于实现进程间的同步，初值等于0或正整数。
      • 信号量S>=0时，表示某资源的可用数量。当S<0时，表示阻塞队列中等待资源的进程数量。
      • 信号量取值范围 = --（进程数量 - 可用资源数量）~ 可用资源数量
    • PV操作
      • PV操作用来实现进程同步与互斥。p操作表示申请一个资源，v操作表示释放一个资源
      • 实现互斥的方法：信号量设置为1，当进程使用资源时执行P操作。释放资源时执行V操作。
      • 实现同步的方法：将信号量S与消息关联，当S等于0时表示没有消息，当S不等于0表示有消息。进程B调用p操作测试消息是否达到达，进程A调用V操作通知消息已经准备好。
  • 进程死锁
    • 当多个进程竞争使用资源时，可能每个进程要求的资源都已被另外一个进程占用。于是，也就没有任何一个进程能够继续进行，这个情况称为死锁
    • 产生死锁的情况主要有：进程推进顺序不当引起的死锁、同类型资源分配不当、PV操作使用不当
    • 死锁预防方式：打破互斥条件、打破不可抢占条件、打破占用且申请条件。（报证至少有1个进程获取足够的资源）
    • 不死锁公式：M>=n(w-1)+1 【资源数量>=进程数量（每个进程需要的资源数量-1）+1】
  • 进程调度算法
    • 先来先服务算法：进程按照进入就绪队列占用处理器的资源
    • 优先算法：对每个进程设置一个优先数，优先数高的进程优先使用处理器资源
    • 时间片轮算法：进程使用一次处理器的最长时间称之为“时间片”，队列中的进程按时间片轮流使用处理器资源。
    • 分级算法：系统设置多个就绪队列，每个就绪队列中的进程按时间片轮流占用处理器资源
• 1.2.3存储管理
  • 存储地址
    • 绝对地址
      • 主存储器以字节为编址单位，每一个字节都有一个物理地址与其对应。这些地址称为主存储器的“绝对地址”，与之对应的主存储空间为“物理地址空间”
      • 绝对地址从0开始编制，计算地址总数量时要+1
        • 例如从90000H到CFFFFH编码，地址总数量是（CFFFFH-90000H+1H）=40000H
    • 逻辑地址：用户程序中使用的地址称为“逻辑地址”，与之对应的存储空间称为“逻辑空间”
    • 地址重定位：将程序中使用的逻辑地址变成主存中物理地址的过程，称为地址重定位。可分为两类：
      • 1.静态重定位：在程序调用过程中，进行的地址变化称为静态重定位或静态地址映射。
      • 2.动态重定位：在程序执行期间，随着每条指令和数据的访问，自动连续地进行映射
  • 存储方式
    • 存储地址考试出题类型：
      • 1.计算内存寻址范围：公式= 容量/字长/8
      • 2.计算内存存储容量：公式= 尾巴减头再加一、转化成十进制、再换算单位/1024
      • 3.计算内容芯片需求数量：
        • 1.计算存储容量：公式=尾巴减头再加1
        • 2.存储容量转化为KB：先转换为10进制，再转化为KB
        • 3.计算芯片用量：公式=存储容量 / 芯片容量
    • 分页存储
      • 将一个进程的地址空间划分成大小相同的块，称为页面。
      • 优点：页表对程序员来说是透明的，地址变化快，调入操作简单
      • 缺点：各页不是程序的独立模块，不便于实现程序和数据的保护
    • 分段存储
      • 分段原理：作业的地址空间被划分为可变长的快，称为段。
      • 优点是消除了内存零头，易于实现存储保护，便于程序动态分配
      • 缺点是调入操作复杂，地址变化速度慢于页式存储管理
    • 虚拟存储
      • 虚拟存储式解决主存容量和存取速度矛盾的一种方式
      • 原理式利用大量的外存（通常式高速硬盘）来扩充内存，产生一个比物理内存空间大的多的逻辑虚拟内存空间，从而增强系统的处理能力
• 1.2.4设备管理
  • 设备分类
    • 1.按工作特点：存储设备和输入/输出设备
    • 2.按使用性质：独占设备，共享设备，虚拟设备
    • 按数据传输率：低速，中速，高速设备
  • DMA技术
    • 直接通过存储器访问DMA，是在外围设备和主存之间开辟直接的数据交换通道，数据交换不需要CPU干涉，只需要CPU在过程开始和过程结束时处理，实际操作有DMA硬件直接执行完成。
  • 缓存技术
    • 引入缓冲技术的目的是缓和CPU和I/O设备之间速度不匹配的矛盾，提高他们之间的并行性，减少对CPU的中断次数放，放宽CPU对中断对应的时间的要求
    • 缓冲技术可以用采用硬件缓冲何软件缓冲两种。硬件缓冲是专门的硬件寄存器作为缓冲区域；软件缓冲是在主存中划分出一个或多个区域作为缓冲区
  • spoilng系统
    • 简称加脱机系统，可以将的低速的独立设备改造成一种可共享的设备，并且一台物理设备可以应对若干电脑虚拟机的同类身边
• 1.2.5文件管理
  • 基本概念
    • 文件是信息的组织形式，是存储在外在上具有标识名的一组集合
    • 文件系统是操作系统中负责管理文件的一组系统软件。目前常用的文件系统有FAT，NTFS，EXT2，HPFS等
  • 文件结构
    • 是指文件的组织形式，分为逻辑结构和物理结构
      • 1.文件的逻辑几个是指用户看到的文件组织形式，有可以分为无结构的字符流文件和有结构的记录文件
      • 2.文件的物理结构是指文件在存储设备上的存储方式，常用结构有连续结构，链接结构和索引结构
  • 文件共享
    • 是指不同用户进程使用同一文件。共享形式有硬链接和符号链接两种
  • 文件安全
    • 是指文件的保密和保护，即限制未授权用户使用或破坏文件。常分为4级：
      • 1.系统级：用户需要登录并使用口令才能进行系统。
      • 2.用户级：系统对用户分类并限制各类用户对目录和文件的访问权限
      • 3.目录级：系统对目录操作权限作限制，如读，写，共享等
      • 4.文件级：系统设置文件属性来控制用户对文件的访问，如只读，读写，执行，隐藏等
• 1.2.6作业管理
  • 基本概念
    • 作业是用户在一次上级过程中，要求计算机所作的工作的集合。作业由程序，数据和作业说明书3部分组成
    • 作业状态：分为提交，后备，执行和完成
      • 1.提交状态：用户向系统提交一个作业时，改作业所处的状态
      • 2.后备状态：用户作业等待进入内存时所处的状态。此时作业的数据已转换成内部的机器可读形式
      • 3.执行状态：用户作业被调入内存，并在处理机（CPU）上执行所处的状态，此时作业处于活动状态
      • 4.完成状态：作业完成了计算任务，准备退出时的状态
  • 作业调度算法
    • 先来先服务：安装作业顺序依次执行
    • 短作业优先：优先调用运行时间最短的作业
    • 响应比高优先：响应比高的作业优先启动
    • 优先级调度算法：为每一个作业确定一个优先级，级别高的作业先执行
    • 均衡调度算法：根据作业对资源的要求进行分类，尽可能地使所有分类作业同时执行