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计算机体系结构与操作系统知识 主题一 主题目录介绍 硬件知识计算机结构存储器输入输出结构和设备嵌入式系统基本知识操作系统知识操作系统基本概念资源管理与调度系统配置方法系统配置技术系统性能系统可靠性 主要知识点 指令系统指令 寻址方式 CISC RISC主存类型 主存容量和性能操作系统定义 特征 功能及分类批处理 分时 实时 网络 分布式存储管理方案分段与分页 虚存 页面置换算法可靠性计算MTBF MTTR 可用性 故障率 1 2硬件知识 计算机结构存储器输入输出结构和设备嵌入式系统基本知识 计算机组成 运算器 控制器 存储器 I O部件指令系统 指令 寻址方式 CISC RISC多处理器 紧耦合系统 松耦合系统 阵列处理机 双机系统 同步处理器性能 1 2 1计算机结构 计算机系统的组成 计算机硬件系统结构 运算器 控制器 存储器 输入设备 输出设备 CPU CPU 主存储器 中央处理部件 输入设备 输出设备 键盘鼠标器 显示器打印机 辅助 外部 存储设备 磁盘机 磁带机 光盘机等 输入 输出 输入 输出 控制器 运算器 运算器与控制器 运算器运算器又称算术逻辑单元 是对信息进行加工 运算的部件 运算器的主要功能是对二进制编码进行算术运算和逻辑运算 控制器控制器是整个计算机的控制指挥中心 功能是从存储器中取出指令 确定指令的类型 并对指令进行译码 然后执行该指令 运算器和控制器又统称为中央处理器 CPU 是计算机系统的核心硬件 它的用超大规模集成电路制成的CPU芯片称为微处理器 指令系统 指令系统定义一台计算机所能识别并执行的全部指令的集合 称为该台计算机的指令系统 指令系统中有数以百计的不同指令 兼容性问题每种CPU都有自己独特的指令系统 用某一类计算机的机器语言编制的程序难以在其他各类计算机上运行 这个问题称之为指令不兼容 向下兼容 如586机器语言向下兼容486机器语言程序 指令 指令是用来规定计算机执行的操作和操作对象所在存储位置的一个二进位串 一条指令由操作码和地址码两部分组成 例如二地址指令格式如下 操作码地址码1 地址码2 操作码 具体说明指令的性质或功能 每条指令只有一个操作码地址码 包括着操作数的来源 结果的去向或下一条指令的地址等信息 不同指令中地址码的个数可以不一样 指令的分类 数据传送指令算术运算指令逻辑运算指令移位运算指令 位与位串操作控制与转移指令输入 输出指令其它指令 寻址方式 指令寻址方式顺序寻址方式跳跃寻址方式操作数寻址方式隐含寻址立即寻址直接寻址间接寻址寄存器寻址方式和寄存器间接寻址方式相对寻址方式基址寻址方式变址寻址方式块寻址方式 寻址方式 指令预取指令译码地址计算执行运算回送结果 CISC和RICS CICS 复杂指令系统计算机一般多达二三百条 如VAX11 780计算机有303条指令 18种寻址方式 RICS 精密指令系统计算机最大特点 选取使用使用频率最高的一些简单指令 指令条数少 指令长度固定 指令格式种类少 寻址方式种类少 只有存取数据的指令访问存储器 其余指令的操作都在寄存器之间进行 Pentium处理器逻辑结构图 指令Cache 指令预取指令译码 ROM 控制器 整数ALU1 整数ALU2 浮点运算器 数据Cache 地址转换与管理部件 总线接口部件 系统总线 多处理器 紧耦合系统各处理机之间通过快速总线或开关阵列相连 共享内存 整体系统由一个统一的OS管理 一个OS核心 松耦合系统各处理机带有各自的存储器 I O设备和操作系统 通过通道或通信线路相连每个处理机上独立运行OS 阵列处理机双机系统 用于控制重要过程 要求高度可靠 具有较高冗余 同步 处理器性能 处理器的主要性能指标是主频和字长 所谓 字长 即微处理器中的运算部件一次能同时处理的二进制数的位数 主频是CPU的时钟频率 它决定微处理器的运算速度 主频越高则其处理数据的速度相对就快 处理器还有其它一些指标 数据总线宽度地址总线宽度可寻空间处理器芯片的集成度 存储器 存储器是用来存放数据和程序的部件 存储器分为内存储器 简称内存 和外存储器 简称外存 两大类 内存储器可分为随机存储器 RAM 和只读存储器 ROM 两大类 RAM既可以读出数据 也可以写入数据 断电后数据消失 ROM中的数据在制作时就存储在里面了 只能读出不能写入 断电后数据不会消失 存储介质 按存储介质的材料分类 半导体存储器 采用半导体器件制成磁表面存储器 软盘存储器 硬盘存储器 磁带存储器光存储器 CD ROM按存储的工作方式分类 随机读写存储器 顺序读写存储器 只读存储器按多层次存储系统的概念分类 告诉缓冲存储器 随机存储器 只读储器 软盘存储器 光盘存储器 磁带存储器 主存储器 主存储器又称内存储器或内存 直接与CPU相连 是主机不可缺少的一部分 用来存储计算机运行中的程序和各种数据 主存由超大规模集成电路存储器芯片组成 存取速度快 但容量较小 主存储器又分为RAM和ROM RAM RandomAccessMemory 即随机存取存储器 即可从其中读取信息 也可向其中写入信息 开机之前RAM中没有信息 开机后操作系统对其管理 关机后其中的信息都将消失 RAM中的信息可随时根据需要而改变 Rom ReadOnlyMemory 即只读存储器 只可从其中读取信息 不可向其中写入信息 在开机之前ROM中已经事先存有信息 关机后其中的信息不会消失 辅助存储器 辅助存储器又称为外存储器 或外存 其容量相对较大 一般用来存放长期保存或相对来说暂时不用的各种程序和信息 计算机实际执行程序和加工处理数据时 辅存中的信息需要先传送到主存后才能被CPU使用 辅存容量大 能长期可靠地保存信息 存取方便目前 微机中常用辅存有软磁盘存储器 硬磁盘存储器和光盘存储器 存储器层次结构图 后援存储器 磁带库 光盘 辅助存储器 软盘 硬盘 光盘 主存储器 DRAM Cache存储器 ALU寄存器 主存类型 主存容量和性能 主存类型 RAM ROM PROM EPROM E2PROM 闪速存储器主存容量 存放一个机器字的存储单元 通常称为字存储单元 存放一个字节的单元 称为字符存储单元在一个存储器中可以容纳的存储单元总数通常称为该存储器的存储容量 主存储器的性能指标 存储容量 上面 存取时间 又称存储器访问时间 指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间 存储周期 连续两次操作所需间隔的最小时间 存储带宽 单位时间里存储器所存取的信息量 主存配置 主存奇偶校验交叉存取多级主存主存保护系 高速缓存 高速缓冲存储器是介于CPU和主存之间的小容量存储器 但存储速度比主存快 为了解决CPU和主存之间速度不匹配而采用的一项重要技术 能高速地向CPU提供指令和数据 从而加快了程序的执行速度 高速缓冲工作原理要求它保持最新数据 替换算法 最不经常使用 LFU 算法近期最少使用 LRU 算法随机替换 辅存设备的性能和容量计算 辅助存储器的主要指标存储密度 分道密度 沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数 位密度 磁道单位长度上能记录的二进制代码位数 面密度 位密度和道密度的乘积 存储容量 一个存储器所能存储的字节总数 分为格式化容量和非格式化容量 格式化容量小于非格式化容量 平均存取时间 从发出读写命令后 指针从某一起始位置移动至新的记录位置 到开始从存储器中读取或者写入信息所需的时间 包括定位或者寻道时间和等待时间数据传输串 存储器在单位时间内向主机传送数据的字节数 容量计算 输入 输出设备 输入设备输入设备的任务是接受操作者提供给计算机的原始信息 并将其转换为计算机能识别和接受的信息方式 最常用的输入设备有键盘和鼠标 输出设备输出设备的主要作用是把计算机内部的数据转变为人们习惯接受的或能被其他机器所接受的信息形式输出 常用的输出设备有显示器和打印机 I O接口 计算机所配置的外部设备在工作速度上与中央处理器差别极大 数据表示形式也各不相同 因此 要实现外部设备与主机之间的连接信息交换 必须经过一个数据转换和传输设备 这种设备就是I O接口 包括 中断 DMA 通道 SCSI 并行接口 通用接口总线 RS232 USB IEEE1394 红外线接口 输入输出控制系统 I O接口 中断 以字 节 为单位进行输入输出的 每完成一个字 节 的输入输出 控制器便要向CPU请求一次中断 DMA 直接存储器访问 数据传输基本单位是数据块 所传送的数据是从设备直接送入内存的 或者相反 仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时 才需CPU干预 整块数据的传送是在控制器的控制下完成的 通道方式 是DMA方式的发展 进一步减少CPU的干预 即把对一个数据快的读 写 为单位的干预 减少为对一组数据块的读 写 及有关的控制和管理为单位的干预 同时实现了CPU 通道和输入输出设备三者的并行工作 有效提高整个系统资源利用率 I O接口 SCSI 小型计算机系统接口 将高速磁盘驱动器连接到诸如工作站或网络服务器这样高档PC机去时用的最流行的接口 并行接口 一次传送一个字节 最普遍用于连接打印机 RS 232C接口 目前广泛用于计算机终端或以外设备之间的近距离连接 RS 232C标准是美国EIA与BELL等公司一起开发的通讯协议 现在成为微机串行通信接口中采用的一种标准 USB 通用串行总线接口 通过简单4线连接的12Mpbs接口 总线采用分层星形拓扑结构支持最多达127太设备 相连设备由总线供电 能自我识别外设 IEEE 1394 又称iLink或FireWire 是新总线技术 为适应当今的音频和视频多媒体设备对大量数据传输需求而发展起来的 数据传输速率最高可达400Mbps 通用接口总线 定义总线上连接计算机各个部件的通信线路和相关的控制电路 三种信号数据信号 总线 是CPU与内存输入 输出接口之间传输数据的通道地址信号 总线 用于传送内存 输入 输出接口地址数据 CPU按此地址寻找数据控制信号 总线 传送CPU发出或接收的控制信号 通用接口总线 微机中常用总线 ISA总线 工业标准总线 也叫AT总线 数据16位 EISA总线 扩展的工业标准总线与ISA总线兼容 数据线32位 PCI总线 局部总线标准 数据线32 64位 通用接口总线 中央处理器 主存储器 输入 输出设备 中央处理器 总线 输入输出设备类型和特征 键盘 标准的输入设备 由排列成矩阵形式的按键组成 有83键 84键 的标准键盘和101键 102键的扩展键盘 有PS 2和USB两种接口 鼠标 一种快速定位器 是计算机图形界面互交的必要外设 两键 MSMouse 三键 PCMouse 单键 AppleMouse 有串口 PS 2和USB接口 显示器 将主机输出的电信号经一系列处理转换成光信号 最终将文字 图形显示出来 CRT PDP LED ELD LCD ECD EPID 打印机 可打印字符 字母 数字 图形和表格 分辨率 打印速度 噪音 打印幅面 点阵数扫描仪 是将各种形式的图像信息输入计算机的重要工具 以CCD为核心的平面式扫描仪 手持式扫描仪和以光电倍增管为核心的滚筒式扫描仪 1 2 4嵌入式系统基本知识 嵌入式系统是以应用为中心 以计算机技术为基础 并且软硬件可裁剪 适用于应用系统对功能 可靠性 成本 体积 功耗有严格要求的专用计算机系统 它一般由嵌入式微处理器 外围硬件设备 嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成 用于实现对其他设备的控制 监视或管理等功能 嵌入式系统一般指非PC系统 它包括硬件和软件两部分 硬件包括处理器 微处理器 存储器及外设器件和I O端口 图形控制器等 软件部分包括操作系统软件 OS 要求实时和多任务操作 和应用程序编程 有时设计人员把这两种软件组合在一起 应用程序控制着系统的运作和行为 而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用 1 2 4嵌入式系统基本知识 嵌入式系统通常是面向特定应用的嵌入式CPU与通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在为特定用户群设计的系统中 它通常都具有低功耗 体积小 集成度高等特点 能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部 从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化 移动能力大大增强 跟网络的耦合也越来越紧密 嵌入式系统是将先进的计算机技术 半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物 这一点就决定了它必然是一个技术密集 资金密集 高度分散 不断创新的知识集成系统 嵌入式系统特点 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计 量体裁衣 去除冗余 力争在同样的硅片面积上实现更高的性能 这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起 它的升级换代也是和具体产品同步进行 因此嵌入式系统产品一旦进入市场 具有较长的生命周期 嵌入式系统特点 为了提高执行速度和系统可靠性 嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中 而不是存贮于磁盘等载体中 嵌入式系统本身不具备自举开发能力 即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的 必须有一套开发工具和环境才能进行开发 嵌入式系统特点 1 3操作系统知识 操作系统基本概念资源管理与调度 1 3 1操作系统基本概念 操作系统定义 特征 功能及分类多道程序内核和中断控制进程和线程 操作系统的定义 操作系统是一个大型的程序系统 纯软件 它 负责计算机的全部软 硬件资源的分配调度工作 控制协调多个任务的活动 实现信息的存取保护 并提供用户接口 使用户获得良好的工作环境 操作系统使整个计算机系统实现了高效率和高度自动化 操作系统定义和分类 计算机软件是指在硬件设备上运行的各种程序及其有关的资料 计算机软件系统由系统软件和应用软件两大部分组成 系统软件是为管理 监控和维护计算机资源所设计的软件 包括操作系统 数据库管理系统 语言处理程序 实用程序等 应用软件是为解决各种实际问题而专门研制的软件 例如文字处理软件 会计账务处理软件 工资管理软件 人事档案管理软件 仓库管理软件等 操作系统特征和功能 操作系统是为了提高计算机的利用率 方便用户使用计算机以及加快计算机响应时间而研制的一种软件 操作系统是最重要的系统软件 用户通过操作系统使用计算机 其他软件则在操作系统提供的平台上运行 离开了操作系统 计算机便无法工作 DOS Windows95 98 XP Linux Unix等都是操作系统 操作系统的特征 I 1 并发特征 Concurrence 在一时间间隔内同时发生两 多 个事件 它们宏观上并行 微观上串行 2 共享特征 Sharing 系统中资源可供多个并发执行的事件共同使用 并发与共享是操作系统的两个最基本的特征 它们互为存在条件 3 虚拟特征 Virtual 将一个物理实体映射为多个逻辑实体 4 不确定性1 程序执行结果不确定 不可再现 不允许 应解决 2 程序开始执行时间 完成时间等不确定 不可预知 但运行环境相同时结果确定 可再现 允许 应加以保护 操作系统的特征 II 操作系统的基本功能 存储器管理的功能处理机管理的功能设备管理的功能文件管理的功能 操作系统分类 包括 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所谓批处理系统是指加载在计算机上的一个系统软件 在它的控制下 计算机能够自动地成批地处理一个或多个用户的作业 分时技术是 一台主机多个终端 多个联机用户作业 把处理机的时间分成很短的时间片 这些时间片轮流地分配给各个联机的各作业使用 如果 某作业在分配给它的时间片用完时仍未完成 则该作业就暂时中断 等待下一轮运行 并把处理机的控制权让给另一个作业使用 这样 在一个相对较短的时间间隔内 每个用户作业都能得到快速响应 以实现人机交互 操作系统分类 操作系统分类 实时控制 当计算机应用于生产过程的控制 形成以计算机为中心的控制系统时 系统要求 能实时采集现场数据 并对所采集的数据进行及时处理 从而自动地控制相应的执行机构 使某些参数 如湿度 压力 液位 能按预定的规律变化 以保证产品的质量和提高产量 主要特点 反应速度足够快 工作安全可靠 系统使用简单方便 例 电力系统 航天飞机控制系统 实时信息处理 通常 我们把要求对信息进行实时处理的系统称为实时信息处理系统 工作原理 一 多 台主机多个远程终端通信线路服务请求信息检索处理正确回答例 飞机订票系统 情报检索系统 操作系统分类 实时操作系统的目标 实时时钟管理 连续人机对话 过载防护 高可靠性 实时OS是指在限定时间内 通常为毫秒级 对外界信号能够作出反应的系统 操作系统分类 网络操作系统 是在通常操作系统功能的基础上提供网络通信和网络服务功能的操作系统 网络操作系统功能 一般操作系统的功能网络通信功能资源管理网络服务网络管理互操作 操作系统分类 分散式操作系统 是处理和控制的分散 以计算机网络为基础 基本特征是处理上的分布所有系统任务可在系统中任何处理机上运行 自动实现全系统范围内的任务分配并自动调度各处理机的工作负载 操作系统分类 多道程序 在操作系统中引入多道程序设计技术以后 会使系统具有以下特征 多道性无序性宏观上并行 微观上串行调度性 内核和中断控制 利用中断控制功能 处理器可以在处理I O操作的过程中执行其他指令 当外部设备做好服务的准备 即当它准备好从处理器接收数据时 外部设备的I O模块给处理器发送一个中断请求信号 处理器做出了响应 暂停当前程序处理 区去处理服务于特定I O设备程序 这个程序称为中断处理程序 在该设备的服务完成后 处理器恢复原先的执行 中断控制程序中断时钟中断I O中断硬件失效中断基本指令周期中断和指令周期 内核和中断控制 简单的中断处理 内核和中断控制 进程和线程 进程和线程是是用来管理系统资源并行活动的并发程序 同一个进程通过一个或者多个线程对线程运行 所有的线程共享同一个虚拟内存空间以及其他资源 创建新的进程需要进行内存的拷贝操作 这就额外的增加了系统负担 而线程则不需要这个拷贝过程 不同的线程共享同样的存储空间 共享数据方便 同步操作较好 但同一个进程中的某个线程的故障会影响其它的线程 因为所有的线程共享同一个虚拟内存空间以及其他资源 资源管理与调度 管理与调度的作用及意义进程的状态及转换进程调度算法死锁存储管理方案 设备管理的有关技术文件管理共享和安全作业的状态及转换作业调度算法 管理与调度的作用及意义 处理机管理进程控制进程同步进程通信调度存储管理内存分配内存保护地址映射内存扩充 设备管理缓冲管理设备分配设备处理设备独立性和虚拟设备文件管理文件存储空间的管理目录管理文件的操作作业管理 进程的状态及转换 状态 运行状态阻塞状态就绪状态转换就绪 运行 处理机调度 运行 就绪 时间片用完 运行 阻塞 请求某种事情发生 阻塞 就绪 等待的事情已经发生 进程调度算法 进程调度算法采用服务于系统目标的策略 对于不同的系统与系统目标 常采用不通的调度算法 分时轮转优先级抢占 死锁 若系统中存在一组进程 两个或多个 它们中的每一个进程都占用了某种资源而又都在等待该组进程中的另一个进程所占用的资源 这种等待永远不能结束 则说系统出现了死锁 或说这组进程处于死锁状态 形成死锁的起因是系统提供的资源数比进程要求的资源数少 或者是若干个进程要求资源的总数大于系统能提供的资源数 这时进程间就会出现竞争资源 如果对进程竞争处理的资源管理或分配不当就会引起死锁 存储管理方案 分段与分页基本思想是按逻辑关系分为若干段 页 每个程序段 页 都有一个段 页 名段 页 号 内存空间被动态地划分为若干个物理大小不同的区域 称为物理段 页 虚存为用户提供一种不受物理存储器结构和容量限制的存储器的技术它是用户编程是所使用的一种用户思维中的存储器 它可以是任何结构 并没有容量的限制 现代计算机操作系统都采用这种技术 使用户编程序时不需要考虑物理内存的结构和容量 极大地方便了用户 页面置换算法一页的大小为2的整数次幂 设备管理的有关技术 Spooling缓冲DMA总线即插即用技术 文件管理 文件是信息的一种组织形式 是存储在辅助存储器上的具有标识名的在逻辑上有完整意义的信息项序列 这个标识为文件名 文件系统是操作系统统一管理信息资源的一种软件 其主要目标是提高存储器的利用率 接受用户的委托实施对文件的操作 包括负责管理文件的一组系统软件和被管理的对象文件本身 文件管理 文件目录把所有的FCB 文件控制块 组织在一起 就构成了文件目录 即文件控制块的有序集合 文件使用建立操作 打开操作 读 写操作 关闭操作 删除操作 文件存储设备的管理实质上是一个空闲的组织和管理问题 空闲文件目录 空闲块链 位示图 共享和安全 共享方式可靠性与安全性恢复处理环保机制 作业的状态及转换 作业调度算法 先来先服务 它是按照作业进入输出井的先后次序来挑选作业 先进入的作业优先被挑选 短作业优先 依据在输入井中的作业提出的计算时间为标准 优先选择计算时间短且资源能得到满足的作业 降低了作业的平均周转时间 从而提高系统的吞吐能力 高响应比优先 首先计算后备作业的响应比Rp 然后按Rp值从大到小顺序调度作业运行 响应比最高者优先算法 综合考虑等待时间和计算时间 把响应定义为 1 4系统配置方法 系统配置技术系统性能系统可靠性 1 4 1系统配置技术 系统构架模式系统配置方法处理模式 系统构架模式 2层系统C S B S C S和B S混合 3层系统客户机 应用服务器 数据库服务器 系统配置方法 双机是一个由两台服务器构成的Cluster集群 集群技术是实现系统高可用性的重要手段 用于实现更高的可用性 可管理性和更优越的可伸缩性 双工又称备份系统 处理冷备份的子系统平时停机或者运行与联机系统无关的运算 当联机子系统产生故障时 人工或自动进行切换 使冷备份系统称为联机系统 热备份又称双系统 两台系统同时运行 当联机子系统检测到错误时 退出服务并检修 而由热备子系统接替工作 系统配置方法 容错是容忍错误的简称 通常采用冗余的方法来消除故障影响 紧耦合多处理器紧耦合多处理机之间通过互联网络共享主存 紧耦合系统由P台处理机 m个存储器模块 d个I O通道和3个互联网络构成 松耦合多处理器松耦合多处理器通过共享I O子系统 通道或通信路线实现机间通信 不共享主存 松耦合多处理器由P个处理机 一个通道 一个仲裁开关和消息传送系统组成 处理模式 集中式指以提供处理能力的服务器为中心进行组织 服务器和访问端相对比较集中的一种处理模式 分布式指通过采用分布式处理技术 提供处理能力的服务器可以分布于网络的各个地方 尽管服务器处于不同的地理位置 但对用户而言是透明的 批处理指将零星的数据成批发送进而处理的方式 处理模式 实时系统指实时响应用户输入进行处理的模式 Web计算指以Web方式提供服务 移动计算指通过数据发布动态更新笔记本 PDA等移动设备中的信息 在能够联网时 把后台数据的下载到移动设备中 数据检索是则检索本机的