计算机系统原理-期末知识点总结

计算机系统原理-期末知识点总结计算机系统概述中央处理器存储器输入输出系统操作系统计算机网络计算机系统概述01包括中央处理器、内存储器、外存储器、输入设备和输出设备等，是计算机系统的物质基础。硬件系统软件系统数据包括系统软件和应用软件，是计算机系统的灵魂，负责管理和控制计算机硬件及应用程序。计算机处理的对象，包括数值数据、非数值数据和多媒体数据等。030201计算机系统的组成计算机系统的发展历程第一代计算机（1946-1957年）电子管时代，采用电子管作为基本元件，体积大、功耗高、可靠性差。第二代计算机（1958-1964年）晶体管时代，采用晶体管作为基本元件，体积缩小、功耗降低、可靠性提高。第三代计算机（1965-1970年）中小规模集成电路时代，采用中小规模集成电路作为基本元件，进一步提高了计算机的性能和可靠性。第四代计算机（1971年至今）大规模和超大规模集成电路时代，采用大规模和超大规模集成电路作为基本元件，使得计算机的性能和可靠性得到了极大的提升。存储容量包括内存储器容量和外存储器容量，内存储器容量一般用字节（Byte）为单位来表示，外存储器容量一般用位（bit）为单位来表示。运算速度单位时间内执行指令的条数，用MIPS（百万条指令/秒）或GFLOPS（十亿次浮点运算/秒）来衡量。可靠性指计算机系统在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力，用平均无故障时间（MTBF）来衡量。计算机系统的性能指标指计算机系统发生故障时能够迅速恢复正常运行的能力，用平均修复时间（MTTR）来衡量。可维护性指计算机系统正常运行的概率，用可用性指标来衡量，如可用度、可靠度等。可用性指计算机系统能够与其他系统或设备相互连接并协同工作的能力，包括硬件兼容性、软件兼容性和数据兼容性等方面。兼容性指计算机系统能够保护数据和程序不被非法访问和破坏的能力，包括物理安全、网络安全和数据安全等方面。安全性计算机系统的性能指标中央处理器02CPU的结构与功能寄存器组包括通用寄存器、程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）等，用于暂存数据和地址。算术逻辑单元（ALU）执行算术运算（加、减、乘、除等）和逻辑运算（与、或、非等）。控制单元（CU）负责指令的取指、译码和执行，控制程序流程。高速缓存（Cache）位于CPU与主存之间，提高数据访问速度。总线接口连接CPU与其他部件，实现数据传输和控制信号传递。指令集01一组规定好的机器语言指令的集合，包括数据传送、算术运算、逻辑运算、程序控制等指令。寻址方式02确定操作数地址的方法，如立即寻址、直接寻址、间接寻址、寄存器寻址等。CISC与RISC03复杂指令集计算机（CISC）和精简指令集计算机（RISC）是两种主要的CPU设计思想，它们在指令集复杂度、指令执行效率等方面有所不同。指令集与寻址方式主要包括时钟频率（主频）、每时钟周期执行的指令数（IPC）、CPI（每条指令所需的时钟周期数）等。性能指标预测条件分支指令的执行结果，提前加载正确的指令和数据，减少等待时间。分支预测技术将一条指令的执行过程分解为多个阶段，每个阶段由不同的硬件部件同时执行，提高CPU的吞吐率。流水线技术在一个时钟周期内同时发射多条指令，进一步提高CPU的并行处理能力。超标量技术CPU的性能指标与优化存储器03123用于暂时存储和访问数据，内容在断电后消失。随机存取存储器（RAM）用于永久存储数据，内容在断电后保持不变。只读存储器（ROM）位于CPU和主存之间，用于提高数据访问速度。高速缓冲存储器（Cache）内存储器

外存储器硬盘以磁介质存储信息，容量大、价格低、访问速度较慢。固态硬盘（SSD）以闪存芯片存储信息，容量较大、价格适中、访问速度较快。光盘以光介质存储信息，容量大、价格低、访问速度较慢。ABCD存储器的层次结构寄存器位于CPU内部，访问速度最快，但容量最小。主存（内存）直接与CPU交换信息，访问速度适中，容量适中。高速缓冲存储器（Cache）位于CPU和主存之间，访问速度较快，容量较小。外存通过I/O接口与CPU交换信息，访问速度较慢，但容量最大。输入输出系统04实现数据的缓冲、转换和控制，以匹配计算机内部与外部设备之间的速度差异和信号电平差异。I/O接口的功能统一编址和独立编址，前者将I/O端口地址纳入内存地址空间，后者为I/O端口分配独立的地址空间。I/O端口的编址方式控制一个或多个设备的硬件电路，实现设备的读写操作、状态检测和错误处理等功能。设备控制器I/O接口与设备CPU通过执行程序查询I/O设备的状态，若设备准备好则执行数据传送，否则等待。程序查询方式当I/O设备准备好后，向CPU发出中断请求，CPU响应中断后执行数据传送。中断控制方式在主存和I/O设备之间设置DMA控制器，实现主存和设备之间的直接数据传送，无需CPU干预。DMA控制方式I/O控制方式中断的基本概念中断是指CPU在执行程序过程中，由于外部或内部事件（如I/O操作完成、定时器溢出等）的发生，而暂停当前程序的执行，转去处理该事件的过程。中断处理过程包括中断请求、中断响应、中断服务和中断返回四个阶段。DMA技术DMA（DirectMemoryAccess）即直接内存访问，是一种允许外部设备和主存之间直接进行高速数据传送的技术。在DMA传送过程中，不需要CPU的干预，数据直接在主存和设备之间传送。中断与DMA技术操作系统05操作系统是一组控制和管理计算机软硬件资源、合理组织计算机工作流程以及方便用户使用的程序的集合。其主要功能包括处理机管理、内存管理、设备管理、文件管理和用户接口。功能根据运行环境的不同，操作系统可分为批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、网络操作系统和分布式操作系统等。分类操作系统的功能与分类进程进程是操作系统中进行资源分配和调度的基本单位，它是程序的执行过程，具有动态性、并发性、独立性和异步性等特征。线程线程是进程中的一个实体，是被系统独立调度和分派的基本单位。一个进程可以包含多个线程，这些线程共享进程的资源，如内存空间、文件句柄等。进程与线程的比较进程拥有独立的内存空间，而线程共享进程的内存空间；进程间的通信需要借助操作系统提供的机制，而线程间的通信可以直接通过共享内存实现；线程的切换开销比进程小。进程与线程管理内存管理内存管理的功能：内存管理的主要功能是内存的分配与回收、内存保护、内存扩充等。分区管理：分区管理是最早出现的内存管理技术，它将内存空间划分为若干个固定大小的分区，每个分区中只能装入一道作业。分区的大小可以相等也可以不等，但事先必须确定。页式管理：页式管理将内存空间划分为等长的页，页的大小由系统决定。作业的逻辑地址空间也被划分为与页大小相等的页，称为逻辑页面或页。在为作业分配内存时，以页面为单位进行分配。段式管理：段式管理将作业的地址空间划分为若干个逻辑段，每段定义了一组逻辑信息。每个作业有若干个段，每个段都从0开始编址，并有自己段的长度。内存空间也划分为与逻辑段大小相等的段，称为物理段或内存段。在为作业分配内存时，以段为单位进行分配。文件系统文件系统的功能：文件系统的主要功能是组织和存储文件、提供文件的访问接口以及实现文件的共享和保护等。文件的逻辑结构：文件的逻辑结构是用户可见的结构，包括流式文件和记录式文件两种。流式文件是有序字符的集合，记录式文件是一组有序记录的集合。文件的物理结构：文件的物理结构是文件在存储设备上的存放方法，包括顺序结构、链接结构和索引结构三种。顺序结构将逻辑上连续的文件信息依次存放在连续编号的物理块中；链接结构将逻辑上连续的文件信息存放在不连续的物理块中，并通过指针链接；索引结构为每个文件建立一张索引表，索引表中的每个表项指出文件信息所在的逻辑块号和与之对应的物理块号。计算机网络06由多台自主工作的计算机通过通信设备和线路连接起来，在操作系统和网络管理软件的管理和协调下，实现资源共享、信息传递的系统。计算机网络的定义从ARPANET到Internet，经历了从局域网到广域网、从单一数据通信到多媒体通信的发展历程。计算机网络的发展按覆盖范围可分为局域网（LAN）、城域网（MAN）和广域网（WAN）；按传输介质可分为有线网和无线网。计算机网络的分类计算机网络概述网络协议的定义OSI七层模型TCP/IP协议族常用的网络协议网络协议与层次结构为计算机网络中进行数据交换而建立的规则、标准或约定的集合。包括TCP、UDP、IP、ICMP、ARP等协议，构成了Internet的基础。物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，各层之间通过接口进行通信。HTTP、FTP、SMTP、POP3等，用于实现不同的网络应用。局域网技术X.25分组交换网、帧中继（FrameRelay）、ATM（异步传输模式）等，用于构建跨越较大地理范围的计算机网络。广域网技术网络互连设备网桥（Bridge）、路由器（Router）、交换机（Switch）等，用于实现不同网络之间的连接和通信。以太网（Ethernet）、令牌环网（TokenRing）、光纤分布式数据接口（FDDI）等，用于构建局