计算机科学导论-基于计算思维的思想与方法（第4版） 课件【ch05】计算系统的基本思维

计算机科学导论基于计算思维的思想与方法计算系统的基本思维第五章新工科建设之路·计算机类系列教材01计算系统的基本概念——“系统组成”的基本思维计算系统的基本概念——“系统组成”的基本思维01计算机硬件是指那些看得见、摸得着的部件，是构成计算机的物理装置。构成计算机的所有部件称为硬件，这些硬件的整体结合称为硬件系统，是计算机系统的物理实现。如果按照层次抽象，计算机硬件系统由以下4个子系统组成。一、计算机硬件系统1.处理器子系统处理器子系统是计算系统的核心部件，由运算器、控制器、寄存器和指令系统组成。处理器子系统的功能是实行指令控制、操作控制、时序控制和数据处理。计算系统的基本概念——“系统组成”的基本思维012.存储器子系统存储器子系统包括内存储器和外存储器，是保存程序代码和数据的物理载体，也是计算机中存放程序和数据的各种存储设备、控制部件以及管理信息调度的设备和算法的总称。一、计算机硬件系统3.输入/输出子系统输入/输出子系统用来实现输入设备、内存储器、处理器、输出设备之间的相互连接和不同信息形式的转换，控制外部设备与内存储器、外部设备与处理器之间进行数据交换。计算系统的基本概念——“系统组成”的基本思维014.总线子系统总线子系统是多个功能部件之间进行数据传送的公共通路，是构成计算机系统的互联机构。总线子系统的主要特征是多个部件共享传输介质，一个部件发出的信号可以被连接到总线上的其他部件接收。采用总线传输方式使各子系统部件间实现地址、数据和控制信息的传递与交换，从而大大减少信息传送线的数量，增强系统的灵活性，并在争用硬件资源的基础上进行工作。一、计算机硬件系统计算系统的基本概念——“系统组成”的基本思维01二、计算机软件系统1.软件的定义软件是为使计算机高效地工作所配置的各种程序及相关的文档资料的总称。1983年，IEEE对软件给出了一个较为新颖的定义：软件是计算机程序、方法、规范及其相应的文稿及在计算机上运行时必需的数据。计算系统的基本概念——“系统组成”的基本思维01二、计算机软件系统2.软件的分类根据软件的功能作用，可将其分为系统软件、支撑软件和应用软件三类。(1)系统软件：系统软件的显著特点是与具体应用领域无关。(2)支撑软件：随着数据库应用系统开发和网络应用的不断拓展逐渐形成的软件。(3)应用软件：是相对于系统软件而言的，是用户针对各种具体应用问题而开发的一~类专用程序或软件的总称。计算系统的基本概念——“系统组成”的基本思维01三、计算机操作系统可将其定义为：操作系统是有效地组织和管理计算机系统中的硬件和软件资源，合理地组织计算机工作流程，控制程序的执行，并提供多种服务功能及友好界面，方便用户使用计算机的系统软件。1.操作系统的定义计算系统的基本概念——“系统组成”的基本思维01三、计算机操作系统现在呈现在用户面前的计算机，是经过若干抽象的计算系统，我们可把整个计算系统按功能划分为4个层次，即硬件系统、操作系统、支撑软件和应用软件。其功能作用主要体现在以下3个方面：(1)操作系统是用户与计算机硬件之间的接口(2)操作系统是计算机系统的资源管理者(3)操作系统为用户提供了一个虚拟机2.操作系统的作用计算系统的基本概念——“系统组成”的基本思维01三、计算机操作系统(1)命令接口：为了便于用户直接或间接控制自己的程序，操作系统提供了命令接口，用户通过该接口向计算机发出命令，执行功能操作。命令接口又分为联机用户接口和脱机用户接口。(2)程序接口：是为用户程序访问系统资源而设置的接口，为程序中使用操作系统提供的系统调用命令请求操作系统服务，也是用户程序取得操作系统服务的唯一途径。(3)图形接口：虽然用户可以通过联机用户接口来取得操作系统的服务，并控制自己的应用程序运行，但要求用户严格按照规定的格式输入命令。3.操作系统用户接口计算系统的基本概念——“系统组成”的基本思维01三、计算机操作系统操作系统的研发与计算机硬件系统的性能是相对应的。随着硬件系统的不断发展，研发出了许多不同类型的操作系统。其中，影响最大、目前使用最广的主流操作系统有以下3种。(1)Windows操作系统(2)UNIX操作系统(3)Linux操作系统4.常用操作系统计算系统的基本概念——“系统组成”的基本思维01四、软件与硬件的关系1.层次结构关系一个完整的计算系统，如果按照系统的层次结构抽象，可以抽象为硬件系统层、系统软件层、支撑软件层和应用软件层四层，其结构如图5-2所示。计算系统的基本概念——“系统组成”的基本思维01四、软件与硬件的关系2.相互依赖关系现代计算机系统中的硬件和软件两者相互依赖和支持。有了软件的支持，硬件才能正常运转和高效率工作。(1)硬件是系统的躯体：硬件是构成计算机的物理装置，也是计算机的物理实现。(2)软件是系统的灵魂：软件是为运行、管理和维护计算机而编制的各种程序的总和。计算系统的基本概念——“系统组成”的基本思维01四、软件与硬件的关系3.功能等价关系正是由于软件、硬件在功能上的等价关系，因而促进了软件、硬件技术的发展。一方面，许多生产厂家为实现某一功能或达到某一技术指标，分别用软件或硬件的办法来实现，并各自评价其优、特点。另一方面，硬件技术的发展及性能的改善，为软件的应用提供了广阔的前景，并为新软件的诞生奠定了基础。02处理器系统——“控制执行”的基本思维处理器系统——“控制执行”的基本思维021.CPU的基本组成(1)运算器是用来完成算术运算和逻辑运算的部件，运算器由多功能算术逻辑运算部件、通用寄存器组(包括累加寄存器、数据缓冲寄存器、状态寄存器)及其控制线路组成。(2)控制器：控制器是计算机系统发布操作命令的部件，其功能是根据指令提供的信息，实现对系统各部件(不仅包括CPU)的操作和控制。一、处理器的结构组成处理器系统——“控制执行”的基本思维022.CPU中的主要部件CPU是计算机硬件系统的指挥中心，有人将它形容为人脑的神经中枢。CPU的指挥控制功能由指令控制、操作控制、时间控制、数据加工等部件实现，如图5-4所示。一、处理器的结构组成处理器系统——“控制执行”的基本思维02二、计算机指令系统1.指令的基本格式计算机指令由一串二进制代码(即机器语言)表示的操作码和地址码所组成。(1)操作码：用来表示进行何种操作，如进行加法、减法、乘法、除法等操作。(2)地址码：表示从哪个地址中取出操作数及操作的结果存放到哪个地址中去。处理器系统——“控制执行”的基本思维02二、计算机指令系统2.指令的基本类型不同的指令系统，指令的数目和种类有所不同。按照功能，指令可以分为如下4类。(1)数据处理指令(2)数据传送指令(3)程序控制指令(4)状态管理指令处理器系统——“控制执行”的基本思维02二、计算机指令系统3.指令的控制执行计算机指令的执行是由控制器来实现的，控制器的主要任务是取指令、分析指令、执行指令、控制程序和数据的输入与结果输出、对异常情况和某些请求的处理，其流程如图5-7所示。处理器系统——“控制执行”的基本思维02三、操作系统对处理器的管理在进程管理中，涉及以下4个极为重要的基本概念。(1)程序：是指为实现某一数值计算或事务处理，由程序员设计的问题求解步骤的命令集合。(2)作业：是指用户在利用计算机求解问题或事务处理中，要求计算机系统所做工作的总和，是用户向计算机提交一项工作的基本单位，它由完成一个独立任务的程序及其所需的数据组成。1.作业方式处理器系统——“控制执行”的基本思维02三、操作系统对处理器的管理在进程管理中，涉及以下4个极为重要的基本概念。(3)进程：是指正在执行中的程序，是驻留在RAM中的作业。只要作业被装入RAM就成为进程，每个进程都是作业，而每个作业未必都是进程。(4)顺序执行和并发执行：程序运行的执行方式可分为顺序执行和并行执行两种方式。1.作业方式处理器系统——“控制执行”的基本思维02三、操作系统对处理器的管理在多道程序环境下，程序运行前必须先为它创建一个或几个进程，并为之分配必要的资源。当进程运行结束时，立即撤销该进程，以便及时回收该进程所占用的各类资源，而这一工作是由进程控制来实现的。进程控制的主要任务是为程序创建进程、撤销已结束的进程，以及控制进程在运行过程中的状态转换。2.进程控制处理器系统——“控制执行”的基本思维02三、操作系统对处理器的管理3.进程同步为了保证相互有关的进程能够正常地运行，系统中必须设置进程同步机制。进程同步的主要任务是对存在制约关系的多个进程的运行进行协调，并且分为进程同步方式和进程互斥方式。进程同步是指两个并发执行的进程为共同完成一个任务而相互配合的进程间通信。进程互斥是指两个并发执行的进程在同一时刻要求共享同一资源而相互排斥。处理器系统——“控制执行”的基本思维02三、操作系统对处理器的管理4.进程通信在多道程序环境下，可由系统为一个应用程序建立多个进程，这些进程相互合作去完成一个共同的任务，并且在活动过程中彼此间存在相互依赖或者相互制约的关系，这就需要交换信息。进程通信的主要任务是实现相互合作的进程之间的信息交换。处理器系统——“控制执行”的基本思维02三、操作系统对处理器的管理5.处理器调度在多道程序系统中，一个作业提交后必须经处理机调度后才能获得执行。处理机调度的主要任务是为并发执行的多个进程分配处理器资源，通常分为三级：作业调度、交换调度和进程调度。作业调度也称为高级调度，其基本任务是从存放在外存中的后备作业队列中，按照一定的算法选择若干作业调入内存并准备执行。交换调度也称为中级调度，其基本任务是根据进程的当前状态决定外存和内存的进程交换。进程调度是操作系统对处理器管理中最为重要、最为频繁的调度。处理器系统——“控制执行”的基本思维02三、操作系统对处理器的管理6.线程控制引入线程，则是为了减少程序在并发执行时所付出的开销，从而使操作系统具有更好的并发性。使用线程可以更好地实现并发处理和资源共享，能更有效地提高CPU的利用率，特别是对于多处理机系统尤为重要。以线程作为调度和分派的基本单位，可以有效改善多处理机系统的性能。03存储器系统——“存储优化组合”的基本思维存储器系统——“存储优化组合”的基本思维03一、内存储器只读存储器是一种只能读出存储器内的信息，而不能写入信息的存储器。ROM用来存放系统的引导、检测、诊断、设置等程序。ROM中的程序内容是在生产制作ROM时预先设定好的，是一次性固化得到的，即使停电或关机，ROM中的信息永远都不会丢失。1.只读存储器存储器系统——“存储优化组合”的基本思维03一、内存储器随机存储器是由半导体器件组成的可以随时写入和读出其内容的存储器，主要用来存放当前要使用的操作系统、应用软件、计算程序、输入输出数据、中间结果以及与外存交换的信息等。为了实现高效存取，可采用按“地址”写入和读出数据。RAM的基本组成如图5-11所示。2.随机存储器存储器系统——“存储优化组合”的基本思维03一、内存储器存储单位用来表示存储容量的大小。计算机中所有的数据信息都是以二进制数的形式进行存储的，所以存储单位是指数据存放时占用的二进制位数，常用的存储单位有：位、字节和字。(1)位(bit，b)：计算机中存储数据的最小单位，用来存放一位二进制数(0或1)。(2)字节(Byte，B)：计算机中的一个存储单元(MemoryCell)，ASCII中的英文字母、阿拉伯数字、特殊符号和专用符号大约有128~256个，刚好可以用8个二进制位(1字节)表示。3.存储单位存储器系统——“存储优化组合”的基本思维03二、外存储器1.硬盘存储器(HardDiskStorage)硬盘存储器通常简称为硬盘，是最主要的辅助存储媒介，是目前存放大量程序和数据的理想设备，因而计算机系统中都配置了硬盘，它是所有数据文件的“栖身”之地。其盘片是用类似薄膜唱片的柔性材料制成的，磁盘片外形如图5-12所示。存储器系统——“存储优化组合”的基本思维03二、外存储器2.光盘存储器(CompactDiskStorage)光盘存储器是继磁记录存储器之后出现的一种新型存储设备，由于它是利用激光在磁性介质上存储信息，因此又称为光存储器。光盘存储器是一种记录密度高、存储容量大的新型外存储设备，广泛用于存储大量文字、图形、图像、语音等多元信息。目前，绝大多数光盘存储器是只能读不能写。存储器系统——“存储优化组合”的基本思维03二、外存储器3.U盘存储器(UDiskStorage)∪盘是通用串行总线(UniversalSerialBus，USB)的简称，是使用USB接口而不需物理驱动器的微型高容量移动存储设备，通过USB接口与微机连接，实现即插即用，因而得到广泛应用。4.移动硬盘(MobileHardDisk)移动硬盘是近几年才开始使用的新型存储器，其特点是容量更大，使用方便。使用时只要使用一根USB接口线便可连接在USB接口上，并且即插即用。存储器系统——“存储优化组合”的基本思维03三、存储体系1.高速缓仲存储器(CacheMemory)为了协调主存与CPU速度上的差异，目前解决这个问题的最有效办法是采用Cache技术。Cache是一种在主存与CPU闫起缓冲作用的存储器，所以称为高速缓冲存储器。Cache是在CPU与主存两者之间增加一级在速度上与CPU相等，在功能上与主存相同的高速缓冲存储器，以其实现在两个不同工作速度的部件之间，在交换信息的过程中起缓冲(协调)作用。存储器系统——“存储优化组合”的基本思维03三、存储体系2.虚拟存储器(VirtualMemory)虚拟存储器不是一个实际的物理存储器，而是建立在主——辅层次结构上，由主存储器、辅助存储器和操作系统的存储管理软件组成的存储体系。虛拟存储体系的实现有三个基本要素：一是有一定的内存容量，能够存放基本程序和数据；二是有足够的外存空间，能够存放多个用户程序；三是有地址变换机构，以动态实现存储过程中逻辑地址到物理地址的变换，也称为地址映射。存储器系统——“存储优化组合”的基本思维03三、存储体系3.存储体系结构(StorageArchitecture)计算机中的存储器包括主存储器(MainMemory)、辅助存储器(AuxiliaryStorage)和高速缓冲存储器(CacheMermory)，它们各有其功能特点：主存储器容量较大，运行速度较快，用来在计算机运行时存放操作系统和其他程序代码；辅存是针对主存而言的，主要指硬磁盘，储器容量最大，速度慢，用来存储各种程序和数据；Cache存储容量最小，运行速度最快，用来协调RAM与CPU之间速度上的不一致。存储器系统——“存储优化组合”的基本思维03四、操作系统对存储器的管理1.内存分配(MemoryAllocation)内存分配管理的主要任务：一是为了提高存储器的利用率，最大限度地减少不可用的内存空间；二是当有存储申请时，根据需要选定分配区域；三是占用者不再使用某个区域时，则及时收回。根据存储形式，内存分配管理分为：连续存储管理、分区存储管理和分页存储管理。存储器系统——“存储优化组合”的基本思维03四、操作系统对存储器的管理2.内存保护(MemoryProtection)为了确保每道程序都只能在自己的内存区中运行，必须建立内存保护机制，我们将这一机制称为内存保护。内存保护的主要任务是绝不允许用户程序访问操作系统的程序和数据，也不允许转移到非共享的其他用户程序中去执行，各进程不能对别的进程的程序和数据段产生干扰和破坏。存储器系统——“存储优化组合”的基本思维03四、操作系统对存储器的管理3.内存扩充(MemoryExpansion)到外存中去，从而腾出空间存放将要调入内存的数据信息。这种调入和调出，是由操作系统自动完成的。从效果上看，它使用户能够在较小的内存中执行较大的用户程序，从而能够在内存中容纳更多的程序并发执行。虚拟存储分别采用了分页虚拟存储、分段虚拟存储和段页式虛拟存储。存储器系统——“存储优化组合”的基本思维03四、操作系统对存储器的管理4.地址映射(AddressMapping)在多道程序环境下，每道程序不可能都从“0”地址装入到内存，这就致使地址空间中的逻辑地址和内存空间中的物理地址不一致。为了使程序能正确运行，必须将地址空间中的逻辑地址转换为内存空间中与之对应的物理地址，我们将这一变换过程称为地址映射或地址重地位。这个变换通常是由硬件和软件相互配合来实现的，并且变换过程较为复杂。04文件管理系统——“长治久安”的基本思维文件管理系统一“长治久安”的基本思维04一、文件与文件系统逻辑上具有完整意义的信息集合称为文件。计算机中，所有的程序和数据都是以文件的形式进行存放和管理的。文件通常由若干记录组成，而记录是一些相关数据项的集合，其数据项是数据组织中可以命名的最小逻辑单位。在计算机系统中，一个完整的程序或一组完整的数据记录都是一个文件，它是操作系统实行信息管理的基本单位。1.文件(Files)文件管理系统一“长治久安”的基本思维04一、文件与文件系统文件系统由三部分组成：与文件管理有关的软件、被管理的文件、实施管理所需的数据结构，其层次结构如图5-24所示。2.文件系统(FilesSystem)文件管理系统一“长治久安”的基本思维04二、文件组织与结构1.文件的逻辑结构(FileLogicalStructure)文件的逻辑结构是从用户观点出发所观察到的文件组织形式，也是用户可以直接处理的数据及其结构，独立于文件的物理特性。文件的逻辑结构通常分为两种形式：流式文件和记录式文件。2.文件的物理结构(FilePhysicalStructure)文件的物理结构是指文件在磁盘上的组织形式，所以又称为文件的存储结构。常用的文件物理结构有顺序文件、链接文件、索引文件和哈希文件。文件管理系统一“长治久安”的基本思维04三、文件目录和目录结构1.文件目录(FilesDirectory)为了便于文件存储和查找，可在磁盘中建立多个区域，然后在各区域中建立多个“文件夹”，而且允许在各文件夹中建立下一级文件夹，把不同文件分别存放到各相关文件夹中，该文件夹被称为文件目录，该目录名就是文件夹名。在每一个文件夹中，可以存放多个不同名字的文件；而在不同的文件夹中，可以使用(命名)相同名字的文件。文件管理系统一“长治久安”的基本思维04三、文件目录和目录结构2.目录结构(DirectoryStructure)DOS和Windows采用分层式的文件系统结构，即树形目录结构(TreeDirectoryStructure)。目录和文件的隶属关系像一棵倒置的树，树枝称为子目录，树的末稍称为文件，如图5-29所示。文件管理系统一“长治久安”的基本思维04三、文件目录和目录结构3.文件管理(FilesManagement)建立文件目录结构，为文件的管理和使用提供了极大方便。为了便于用户操作、管理和维护，在文件管理中采用了如下管理措施。(1)文件分类(2)文件命名(3)文件属性(4)文件操作05总线系统和输入/输出系统——“组织与协调”的基本思维总线系统和输入/输出系统一“组织与协调”的基本思维05一、总线系统1.总线类型(BusType)为了适应各种设备的连接，可采用不同类型的总线。如果按照通信方式划分，总线可分为串行总线和并行总线。如果按照功能作用划分，总线可分为以下3种。(1)内部总线(2)外部总线(3)系统总线：总线系统和输入/输出系统一“组织与协调”的基本思维05一、总线系统2.总线结构(BusStructure)总线结构就是连接各部件的“组织”形式，是指CPU与内存储、外存储器、接口电路、输入/输出设备之间的连接方式。不同类型的计算机具有不同的总线结构，通常分为单总线结构、双总线结构、三总线结构等。这三种总线结构可以启发我们如何提高系统性能的思维。总线系统和输入/输出系统一“组织与协调”的基本思维05一、总线系统3.总线标准(BusStandard)不同厂家生产的同一功能的外部设备，由于实现方法不同，因而其技术性能会存在一定差异。若要实现各厂家生产的部件可以替换使用，就需要各生产厂家遵守相