计算思维导论 课件 第5、6讲 复杂环境程序执行-计算环境管理者操作系统、由机器语言到高级语言-程序设计

第5讲现代计算机-复杂环境下程序执行哈尔滨工业大学计算学部教学委员会主任国家教学名师战德臣第5讲现代计算机-复杂环境下程序执行一、存储体系与操作系统二、存储体系需解决的管理问题三、分工-合作-协同：理解复杂的操作系统四、现代计算机的演变五、典型国产操作系统简介解决了：程序装载在内存，便可被CPU执行永久存储问题?存储容量问题?存储速度问题?存储器价格问题?冯.诺依曼计算机存储体系与操作系统回顾机器程序被执行的过程内存CPU临时存储按地址访问-按存储单元速度快-价格高半导体材料制作永久存储顺序访问-按磁盘块速度慢-价格低磁性材料制作按块交换以批量换速度按存储

单元读取所有内容需装入内存，才能被处理所有内容需存入外存，才能永久保存存储体系与操作系统内存vs.外存外存外存管理的自动化CPU-内存-外存之间的信息交换自动完成操作系统存储体系与操作系统存储体系寄存器ROMRAM硬盘

与移动硬盘U盘

与软盘光盘

与磁带内存CPU按块交换以批量换速度按存储

单元读取操作系统CPU-内存-外存及其他硬件用户操作系统(OperatingSystem:OS)是控制和管理计算机系统各种资源(硬件资源、软件资源和信息资源)、合理组织计算机系统工作流程、提供用户与计算机之间接口以解释用户对机器的各种操作需求并完成这些操作的一组程序集合，是最基本、最重要的系统软件。操作系统的作用：操作系统是计算机系统的资源管理者。操作系统为用户提供了虚拟机(VirtualMachine)。操作系统是用户与计算机硬件之间的接口。存储体系与操作系统操作系统真实世界复杂系统(包括人系统)分工：独立管理分工：独立管理分工：独立管理合作-协同：联合管理如何理解复杂系统，如何求解复杂系统？分工-合作-协同化复杂为简单操作系统—不仅仅是应用领导者/总控：完成宏观任务的各种资源协调者复杂任务：分工-合作-协同资源体系：不同性能资源的组合运用资源管理：化整为零与还零为整-效率资源调度：分时-并行-分布操作系统：完成大(宏观)任务的计算资源协调者程序执行：分工-合作-协同存储体系：不同性能资源的组合运用

磁盘管理/网络传输：化整为零与还零为整-效率CPU调度：分时-并行-分布存储体系与操作系统为什么要深入理解操作系统测练题：你是怎样理解“操作系统”的，下列说法正确的是_____。功能更丰富、用户更容易使用的计算机【硬件是基本功能，操作系统是将基本功能组合起来提供千变万化的更强功能】人与机器的接口【对硬件功能的封装，使人们在使用计算机时不必直接面对硬件；即人是通过操作系统来使用硬件资源】计算资源的调度者和执行者【硬件类似于士兵，而操作系统类似于前敌指挥和冲锋陷阵的团/营长】计算资源的管理者【硬件类似于仓库，而操作系统类似于仓库管理员】ABCD提交多选题1分测练题：你认为“操作系统”最核心最基本的功能是什么_____？不仅管理内存和外存，还要管理CPU、网络等硬件资源不仅管理硬件资源，还要能够扩展硬件资源的功能【即硬件做不到的，由操作系统来完成】将外存的程序装载入内存，并调度CPU完成程序的执行管理内存与外存ABCD提交单选题1分第5讲现代计算机-复杂环境下程序执行一、存储体系与操作系统二、存储体系需解决的管理问题三、分工-合作-协同：理解复杂的操作系统四、现代计算机的演变五、典型国产操作系统简介内存：RAM/ROM给定一个地址，能够读写一个存储单元地址通常为16位（64KB）或32位（4GB）。

存储单元（存储字）通常为1、2、4或8个字节。一次一个存储单元，按地址访问存储器外存：硬盘/软盘以扇区为单位进行读写，一个扇区通常存放512个字节。定位信息--盘面:磁道:扇区。读写操作包括【旋转】【寻道】【传输】等过程。连续的扇区读写会减少读写时间：【块/簇】由若干个连续的扇区组成。存储体系需解决的管理问题数据的不同存取方式与管理差异一个典型磁盘的基本信息8个圆盘，16个盘面每个盘面有216或65536个磁道每个磁道(平均)有28=256个扇区每个扇区有29=512个字节磁盘的容量= 24*216*28*29=237字节 =128GB存储体系需解决的管理问题数据的不同存取方式与管理差异测练题：一个典型磁盘的基本信息：128个圆盘有256个盘面；每个盘面有216或65536个磁道；每个磁道(平均)有28=256个扇区;每个扇区有29=512个字节，则磁盘的容量为_________。512GB=239B256GB=238B1TB=240B2TB=241BABCD提交单选题1分高速缓冲存储器主存或内存闪存或存储卡磁盘光盘磁带存储体系需解决的管理问题现代计算机的存储体系有更多的层次L0寄存器L1缓存L2缓存L3缓存L4内存SSD卡L5固态硬盘L5机械硬盘L6外部存储1s3s13s43s3min6min6days5years15days0.3ns0.9ns3.8ns12.9ns50ns120ns150us50ms0.5ms相对时间绝对时间华为全闪存存储存储体系需解决的管理问题现代计算机的存储体系有更多的层次运算器控制器寄存器CPU按存储单元读写按存储块进行交换外存ROM内存统一的、自动的管理存储体系需解决的管理问题基本的存储体系程序如何存储在外存上面?程序如何装载到内存中?装载到哪里?程序如何被CPU执行?CPU执行哪个程序?存储体系需解决的管理问题根本问题：程序如何被存储、如何被执行？单一程序文件vs.万千个程序文件单一磁盘vs.几十个/万千个磁盘单一内存空间vs.万千个内存空间单一CPUvs.几十个/万千个CPU执行一个程序vs.同时执行百千万个程序各种设备连接与使用网络连接问题时间最短效率最高利用率最大计算资源越来越多、计算环境越来越复杂，用户应用越来越简单存储体系需解决的管理问题计算环境变迁带来的管理问题？测练题：关于“存储体系”，下列说法正确并完整的是_____。存储体系采取了以批量换速度、以空间换时间的策略，对价格较低且存取时间慢的存储器，采取一次读取一个存储块的方式，而对存取时间快且价格较高的存储器，采取一次读取一个存储单元的方式；存储体系使得永久存储器(外存)中的内容不能被CPU直接处理，而需首先装入临时性存储器(内存)中，才能被CPU一次一个单元地进行处理；存储体系是将性能不同的存储器整合成为一个整体的存储器并实现自动管理，使外界看起来容量像外存的容量-更大、速度像内存的速度-更快、而且价格更合理；

存储体系是由内存、外存等若干性能不同、价格不同的存储器构成的系统；ABCD提交多选题1分测练题：关于“磁盘”，下列说法不正确的是_____。磁盘的读写包括寻道(将读写磁头定位在所要读写的磁道上)、旋转(将磁盘旋转到所要读写扇区的位置)和传输(传输并读写信息)三个基本动作；CPU可以一个存储字一个存储字地读写磁盘；磁盘的存储地址由“盘号：柱面(磁道)：扇区”三部分组成；磁盘是一种可永久保存信息的存储设备；ABCD提交E上述说法有不正确的。单选题1分测练题：关于内存和外存，下列说法不正确的是_____。内存读写速度快容量有限，外存读写速度慢容量可充分大CPU通常一个存储字一个存储字地读写内存，而一个块一个块的读写外存。一个块包含若干个存储字。CPU可直接处理外存的数据而无需经过内存内存读写速度快且容量可以充分大，外存读写速度慢且容量不能太大ABCD提交ECPU通常一个存储字一个存储字地读写外存，而一个块一个块的读写内存。一个块包含若干个存储字。CPU不可直接处理外存的数据而需将外存数据装入内存才能处理F多选题1分第5讲现代计算机-复杂环境下程序执行一、存储体系与操作系统二、存储体系需解决的管理问题三、分工-合作-协同：理解复杂的操作系统四、现代计算机的演变五、典型国产操作系统简介分工：独立管理分工：独立管理分工：独立管理合作-协同：联合管理分工：部件独立地【执行】具体的任务(小粒度的工作)合作：将宏观【作业】，分解为【任务】，调度各部件【执行】具体的任务协同：合作的自动化与高效率分工-合作-协同：理解复杂的操作系统分工-合作-协同：把控复杂系统的基本思维操作系统是一组“管理各种资源以便执行应用程序”的程序操作系统本身的程序是如此做出来的：(1)分工。独立管理复杂环境中的每个部件。磁盘管理管理磁盘信息的读写内存管理管理内存空间的分配与回收处理机管理调度CPU去执行哪一个程序分工-合作-协同：理解复杂的操作系统怎样理解复杂的操作系统?操作系统是一组“管理各种资源以便执行应用程序”的程序操作系统本身的程序是如此做出来的：(1)分工。独立管理复杂环境中的每个部件。(2)合作。以任务为驱动，中心任务就是“让计算机或者说CPU执行存储在外存上的程序”,各部件合作完成该任务。(3)协同。当基本解决后，关键就是协同，“合作”和“同步”,“自动化”及“最优化”。作业、任务与进程管理管理一个程序执行中的各项工作分工-合作-协同：理解复杂的操作系统怎样理解复杂的操作系统?程序如何存储在外存上面?程序如何装载到内存中?装载到哪里?程序如何被CPU执行?CPU执行哪个程序?磁盘管理内存管理处理机管理程序(文件)管理作业与进程管理操作系统OS(1)管理内存/外存/CPU资源(2)完成应用程序的执行分工-合作-协同：理解复杂的操作系统操作系统应具备的基本功能磁盘管理内存管理处理机管理程序(文件)管理作业与进程管理单一程序文件vs.万千个程序文件单一磁盘vs.几十个/万千个磁盘单一内存空间vs.万千个内存空间单一CPUvs.几十个/万千个CPU执行一个程序vs.同时执行百千万个程序各种设备连接与使用网络连接问题时间最短效率最高利用率最大网络管理设备管理计算资源越来越多、计算环境越来越复杂，用户应用越来越简单分工-合作-协同：理解复杂的操作系统操作系统的功能越来越强大磁盘与文件管理分工-合作-协同：理解复杂的操作系统分工独立管理：磁盘与文件管理文件A磁盘文件B文件A【化整为零，还零为整】的问题是什么？1、确定零存空间的大小？2、分解、编号及次序问题？在哪里和怎样保存相关信息3、能否自动化？分工-合作-协同：理解复杂的操作系统【磁盘与文件管理】化整为零，还零为整的思维磁盘

盘面:磁道（柱面）:扇区一个扇区存放512个字节一个磁盘块(簇)

=若干个连续的扇区(注：随不同操作系统而有差异，8、16、64或更大的2的幂次数)98

765432

1

0012345磁盘簇块(扇区的倍数)个位十位分工-合作-协同：理解复杂的操作系统【磁盘与文件管理】磁盘管理的基本单位：扇区和簇/块文件分配表FAT文件A17……2624325547End9

876543210012345个位十位文件A起始尾部磁盘簇块文件夹(目录)0123459876543

210该块的下一块的编号文件分配表（可保存在固定位置）：对应每一个簇/块都有一个表项，记录一个编号编号为该簇/块的下一簇/块的编号分工-合作-协同：理解复杂的操作系统【磁盘与文件管理】簇/块vs.文件分配表vs.文件夹（目录）文件分配表FAT文件A17……

文件B120123459

87

65432

1

02624325547End987

6543210012345个位十位文件A起始尾部磁盘簇块文件夹(目录)GFEDCBA文件B起始尾部GFEDCBA213544052837End分工-合作-协同：理解复杂的操作系统【磁盘与文件管理】文件读写过程模拟测练题：操作系统管理磁盘与文件的基本思路如右图，围绕该图回答:关于“文件1”的下列说法不正确的是_______？该文件的第3个簇块是第24号簇块此信息存放在FAT表的第32号表项中；该文件在磁盘上的簇块存储次序是17

26

24

32

44

55

47此簇块链接信息可依据文件夹和FAT表来获取；该文件第1个簇块是第17号簇块此信息和文件名一起存放在文件夹中；ABCD提交文件分配表某一表项的值是指对应该表项簇块的下一簇块的编号。

单选题1分测练题：操作系统管理磁盘与文件的基本思路如右图，围绕该图回答:观察“文件2”在磁盘上的存储，图中的FAT表还没有给出其簇块链的信息。填写FAT表关于文件2的信息，下列说法不正确的是_______？FAT表的第35号表项应该填写36，第36号表项应该填写51；FAT表的第51号表项应该填写49，第49号表项应该填写End；FAT表的第11号表项应该填写12，第12号表项应该填写35；ABCD提交上述说法有不正确的。单选题1分磁盘扇区的存储内容：以十六进制显示每一字节的0/1信息(专用软件进行读取)。文件内容：以文本文件阅读器打开并显示的文本文件的内容，每一字节按ASCII码解读(“记事本”打开)。文件目录(文件夹)及文件名(操作系统管理)分工-合作-协同：理解复杂的操作系统【磁盘与文件管理】文件夹、文件内容与文件在磁盘上的存储NTFS系统的主文件表MFT，即文件分配表磁盘的四个主要区域保留扇区文件分配表区域根目录区域数据区域??请用相应软件查询一张磁盘的保留扇区、文件分配表扇区和根目录扇区？并依据相关信息依次读取一个文件的相关扇区内容并解析！分工-合作-协同：理解复杂的操作系统【磁盘与文件管理】磁盘的几个重要区域分工-合作-协同：理解复杂的操作系统【磁盘与文件管理】磁盘上的区域受到病毒攻击后会产生什么后果假定磁盘块的大小为64KB，对于128GB的硬盘，其文件分配表FAT需要占用的存储空间为______。

128GB=27*210*210KB磁盘块总数=128GB/64KB=27*210*210/26=221个一个FAT表项的长度=24

(注意：只要大于21)一块能存放的FAT表项个数=64KB/3B=64*1024/3=

21845个FAT表占用的磁盘空间=

3B*221

=3*2*220B=6MB=6*220/216=

96个块通常FAT表还要做备份，FAT表及其备份占用的磁盘空间=12MB一个FAT表项的长度=32

(注意：24也可，只要大于21)一块能存放的FAT表项个数=64KB/4B=64*1024/4=

214个FAT表占用的磁盘空间=221*22B=223B=8MB=

213/26=

27个块通常FAT表还要做备份，FAT表及其备份占用的磁盘空间=16MB分工-合作-协同：理解复杂的操作系统【磁盘与文件管理】思考题测练题：文件分配表与所能够管理的磁盘空间大小是有关系的。例如磁盘的一簇被定义为4KB(8个扇区)，则文件分配表的大小，即表项的多少，为所能管理的簇的数目的多少。如果一个文件分配表的表项数为220，问其能管理的磁盘空间为_______？221KB；222KB；220KB；ABCD提交223KB；单选题1分基础回顾-计算机系统的存储体系(4)操作系统如何管理磁盘和数据inode(索引节点表-indexnodeTable)分工-合作-协同：理解复杂的操作系统【磁盘与文件管理】Linux对数据的组织：inode-目录(文件夹)-磁盘块/簇基础回顾-计算机系统的存储体系(4)操作系统如何管理磁盘和数据直接块指针：前12个直接指针，直接指向存储数据的数据块。如块大小为4KB，则可存储48KB的文件。间接块指针：设每个指针占用4个字节，则块可保存4K/4个指针，即可指向1024个块，则可存储文件大小为1024*4KB=4MB。双重间接块指针：可保存指针数量为((4K/4)*(4K/4))，则可存储文件大小为(1024*1024)*4KB=4GB。三重间接块指针：可存储文件大小为(1024*1024*1024)*4KB=4TB分工-合作-协同：理解复杂的操作系统【磁盘与文件管理】Linux对数据的组织：inode-目录(文件夹)-磁盘块/簇内存被分成不同的页。通常，内存的一页和磁盘的一簇/块应相等。连续的内存地址空间示例为232*16bit=8GB1个内存页示例为216*16bit=128KB1簇/块思考：内存为什么要分页？分页管理能带来哪些好处分工-合作-协同：理解复杂的操作系统【内存管理】内存为什么要管理?分工：操作系统对内存的管理与控制使用哪一段内存内存空间分配内存回收内存与外存信息的自动交换内存空间管理运算器控制器CPU00000100000010000001000000001001000011000000101000010000000010000000110000001011000010000000110000010100000011000001100000000000000001000000100000010000000010010000110000001010000100000000100000001100000010110000100000001100000101000000110000011000000000000x0001段内存装载于哪一个页面呢？被CPU执行状态与管控0xFFFF段内存0x0000段内存分工-合作-协同：理解复杂的操作系统【内存管理】管理什么?磁盘程序(文件)存储在磁盘上的程序文件进程—装入内存中的程序（还包括一些程序装载和运行相关的信息）程序进程分工-合作-协同：理解复杂的操作系统需要区分的两个概念：程序与进程

磁盘【处理机管理或CPU管理】CPU为什么要管理?内存中待执行程序段落的地址送控制器的PC(程序计数器)内存中的多个程序，执行哪一个程序?程序执行切换中的状态/环境保护问题分工-合作-协同：理解复杂的操作系统一台主机一个CPU执行多个程序(来自于多个用户的多个终端)tt程序1程序2程序3程序4操作系统管理着一时间轮盘；按照时间轮盘的时间分区，轮流让CPU执行若干个程序。由于时间分区足够小，所以每个程序的用户都认为自己独占着CPU执行执行时间分区CPU作业4作业3作业2作业1分工-合作-协同：理解复杂的操作系统【处理机管理或CPU管理】CPU的一种运用方式：分时分工：独立管理分工：独立管理分工：独立管理合作-协同：联合管理操作系统OS分工-合作-协同：理解复杂的操作系统【合作与协同】操作系统是一组“管理各种资源以便执行应用程序”的程序合作与协同管理：作业-任务-与进程管理合作：操作系统对作业、任务和进程的管理与控制调用“处理机管理”执行相应任务调用“磁盘管理“执行装载任务调用“进程管理”执行相应任务分工：操作系统对内存的管理与控制使用哪一段内存内存空间分配内存回收内存与外存信息的自动交换内存空间管理作业与任务管理

用户请求执行程序

调用“内存管理”执行相应任务

分工：操作系统对CPU的管理与控制执行哪一个进程就绪等待运行进程1的状态控制

内存储器进程1

运算器控制器CPU

状态与管控装载

状态与管控分工-合作-协同：理解复杂的操作系统作业：大粒度的工作，一个应用程序的完整的执行。一个作业可能由多个进程来完成任务：小粒度的工作，不同的任务由不同的进程来完成程序进程作业与任务几个需要区分的概念--被定义为不同的名字分工-合作-协同：理解复杂的操作系统操作系统的进程：为使应用程序顺利执行而做的辅助性管理性工作的进程。操作系统的进程也存储在内存中，也需要调度CPU来执行；CPU在操作系统进程和多个应用程序进程之间来回切换应用程序的进程：应用程序本身的进程应用程序的进程操作系统的进程程序作业与任务几个需要区分的概念--被定义为不同的名字分工-合作-协同：理解复杂的操作系统作业与进程管理分工-合作-协同：理解复杂的操作系统应用程序的执行过程及其管理：作业-任务与进程管理

进程相关的准备工作

为进程分配相关的内存空间

将程序由外存装载到内存中

让CPU执行已经准备就绪的进程分工-合作-协同：理解复杂的操作系统协同完成“应用程序执行”存储器(内存)CPU存储器(外存)操作系统OS内存管理(分工)CPU管理(分工)磁盘管理(分工)进程管理(分工)任务-作业管理(合作-协同)APP进程APP程序OS进程OS进程OS进程OS进程OS进程任务:外存中的程序如何被执行作业:任务的细化,可被OS进程完成分工-合作-协同：理解复杂的操作系统个人计算机外存中的程序中如何被载入内存如何被CPU执行控制台电源外存储器CPUROMRAMROM中程序操作系统应用程序数据操作系统数据程序

应用程序/数据分工-合作-协同：理解复杂的操作系统典型计算机系统工作过程资源组合利用体系化、管理分工合作协同化、外存程序内存进程化、硬件不足功能软件化分工-合作-协同：理解复杂的操作系统现代计算机系统的工作思维测练题：关于“程序”与“进程”，下列说法不正确的是_______。“程序”是指外存上的程序文件，而“进程”是指装载入内存中的程序代码；一个程序文件，可以产生多个“进程”；不管是“程序”，还是“进程”，都是指可以被执行的程序代码；ABCD提交“进程”除了包括可由CPU执行的程序代码外，还包括有关该进程相关状态的描述信息，这些信息由操作系统使用，对“进程”实施管理；E上述说法有不正确的。单选题1分测练题：关于“操作系统”和“应用程序”，下列说法不正确的是_______。应用程序被分解为一组“进程”，在操作系统的管理下被CPU执行；操作系统由一组起管理作用的“进程”构成；操作系统自身的进程，不由操作系统调度和执行；操作系统仅管理各个应用程序的进程；操作系统是管理外存的使用、内存的使用、CPU的使用和各类“进程”的一组程序，应用程序是待被CPU执行以求解具体问题的一组程序；ABCD提交CPU执行的程序，可能是操作系统的“进程”，也可能是应用程序的“进程”；它一会执行应用程序的进程，一会又执行操作系统的进程，其控制权在“操作系统”和“应用程序”之间进行交换；E上述说法有不正确的。单选题1分第5讲现代计算机-复杂环境下程序执行一、存储体系与操作系统二、存储体系需解决的管理问题三、分工-合作-协同：理解复杂的操作系统四、现代计算机的演变五、典型国产操作系统简介冯.诺伊曼计算机冯.诺依曼计算机现代计算机的演变个人计算机个人计算机冯.诺依曼计算机现代计算机的演变并行分布处理个人计算机冯.诺依曼计算机并行分布计算环境现代计算机的演变并行分布处理个人计算机冯.诺依曼计算机并行分布计算环境现代计算机的演变云计算环境个人计算机冯.诺依曼计算机云计算环境计算系统发展之重要功劳在于“软件”,软件促进环境发展,

软件也在随环境的变化而发展并行分布计算环境现代计算机的演变物理机OS物理机OS物理机OS虚拟化OS:将虚拟机上的进程分配到物理机OS执行虚拟化OS虚拟化OS云操作系统(CloudOperatingSystem):跨物理机管理OS:进程OperationProg1…Progn

OSOperationProg1…Progn

OSOperationProgOSOperationProg1…Progn

物理机：CPU数百数千数万个;内存数百数千数万个64GB外存数百数千数万个1TB现代计算机的演变云(Cloud)：基础设施作为服务（IAAS：InfrastructureAsAService）不同性能的虚拟机(需求)：(1)CPU数目(2)内存容量(3)外存容量(4)网络带宽软件作为服务SoftwareFileorRDBofUser#iFileorRDBofUser#jFileorRDBofUser#nUser#iUser#jUser#nSoftwareSoftwareSoftwareSoftwareFileorRDBofUser#iFileorRDBofUser#jFileorRDBofUser#nUser#iUser#jUser#nSoftwareSoftwareSoftwareFileorRDBofUser#iFileorRDBofUser#jFileorRDBofUser#nGloabalFileSystemorGlobalRDB/NoSQL(服务的)预定、监控和结算(服务的)预定、监控和结算SAAS(SoftwareAsAService)将软件以可配置可计费的服务方式提供给用户使用云Cloud云Cloud现代计算机的演变现代计算机的演变基于云的“软件服务”与“万般皆服务”Thetoolsweusehaveaprofoundinfluenceonourthinkinghabits,andtherefore,onourthinkingabilities.fromEdsgerDijkstra,1972TuringAwardsreceiver.测练题：你理解什么是云吗?下列说法不正确的是_______。云体现的是用软件来定义和动态构造不同性能的计算机的思想；理论上讲，有了云，我们可定制任意数目CPU、任意容量内存和外存的计算机；云体现的是一种计算资源的“不求所有但求所用”的服务的思想；ABCD提交云虽可定制任意数目CPU、任意容量内存和外存构成的计算机，但这样的计算机也是没有什么实用价值的；E上述有不正确的。单选题1分测练题：你理解什么是云吗?下列说法不正确的是_______。普通人将自己的数据放在“云”中，更多的是他们相信云是安全的、可靠的，而云也确实是安全的、可靠的；普通人利用“云”，也可以建立庞大的数据库，尽管庞大数据库可能需要远远超过个人计算机的存储容量；普通人可以将自己的数据，如照片、视频等放入“云”中，进而可实现任何时间任何地点、任何人对该数据的访问；ABCD提交上述有不正确的。单选题1分第5讲现代计算机-复杂环境下程序执行一、存储体系与操作系统二、存储体系需解决的管理问题三、分工-合作-协同：理解复杂的操作系统四、现代计算机的演变五、典型国产操作系统简介openEuler是一款开源操作系统软件产品，起源于华为EulerOS。华为EulerOS是一款基于Linux内核的服务器操作系统，支持x86和ARM等多种处理器架构。华为EulerOS是与华为鲲鹏芯片配套最合适的软件基础设施。2019年底EulerOS被正式推送开源社区，命名为openEuler。所有开发者、企业、商业组织都可以使用openEuler社区版本，也可以基于社区版本发布自己二次开发的操作系统版本。//openeuler/|OpenEuler操作系统简介OpenEuler是什么？openEuler与SuSE、Debian、RedHat的上游社区都是kernel社区openEuler社区发行LTS(长期支持的)免费版本，使能OSV(操作系统厂商)发展商业发行版，如麒麟软件、普华、中科软、万里开源等LinuxKernelRedHat(美国)Debian(自由操作系统国际化协作组)SuSE（德国）openEulerfedoraubuntuSLESopenEulerRHELOpenSuSECentOS麒麟V10iSoftV5.1EulixOS1.0免费版社区版商用版免费版商用版商用版社区免费版OpenEuler操作系统简介OpenEuler与其他Linux衍生的操作系统OpenEuler操作系统简介参与openEuler社区CPU能访问的地址空间（地址线的位数）实际配置的内存（可能小于CPU能访问的）问题：（1）如果应用程序运行，需求内存超过了实配内存怎么办？--充分利用CPU地址空间，利用内存-外存交换，使内存看起来扩大（2）多个应用程序运行，如何分配内存，如何回收内存?--分页管理内存空间，以页为单位分配和回收内存CPU地址线位数20位32位39位40位最大可访问内存1M4G512G1T实配内存128K,256K,512K,1M512M,1G,2G,4G64G,128G,256G,512G128G,256G,512G,1TOpenEuler操作系统简介openEuler资源管理示例：内存管理的基本问题【虚拟内存】CPU能访问的地址空间【物理内存】实际配置的内存假设：1页=4K（1）虚拟内存：【页/Page】；物理内存：【页框/PageFrame】（2）虚拟地址=页地址+页内地址（3）通过页表，建立虚拟内存与物理内存的映射关系（4）虚拟内存是连续的地址空间；而物理内存页框内是连续的地址空间，页框之间不一定连续。（5）程序运行期间,不同的虚拟内存页可指向相同的页框，通过内存-外存置换，使同一页框装载不同的内容（6）鲲鹏处理器硬件有地址翻译的功能MMU，支持虚拟内存思考题：（1）2GB的物理内存怎样支持需求3GB空间的程序运行？（2）假设一个表项占用8B,则管理4G的虚拟内存，页表需要占用多少空间？OpenEuler操作系统简介openEuler资源管理示例：虚拟内存与物理内存的概念及页表物理内存使用时需要分配，结束后需要回收频繁的分配-回收，则可能会形成物理内存碎片【示例】物理内存空闲累积大于需求，但单一空闲却小于需求【问题】如果需要更大的连续地址空间的页框怎么办？--能否想一种策略，解决呢？OpenEuler操作系统简介openEuler资源管理示例：内存管理的碎片化问题基于伙伴关系(Buddy)的内存分配与回收思想：（1）建立不同队列：管理不同大小的(2i个页框)连续空闲页框2i个连续的页框块被称为【i阶页框块】（2）分配：按队列指针检索能满足进程内存需求的最小阶的连续空闲页框，分配给进程。若需求为i阶页框块，分配i+1阶或更高阶页框块时，将其逐阶拆分，以尽可能保留大的连续空闲页框为目标。（3）回收：检索与其相同大小(i阶)且为伙伴关系的页框块是否空闲，若空闲则合并(形成i+1阶页框块)添加到相应的队列中。【伙伴关系】条件1：两个页框块的大小相同，且物理地址连续；条件2：两个i阶的页框块合并为一个i+1阶的页框块，其第一个页框块的编号必须为2i+1的整数倍。2020+12121+12222+1可以合并不可以合并空闲页框管理队列有20连续空闲页框的队列有21连续空闲页框的队列有22连续空闲页框的队列有210个连续空闲页框的队列OpenEuler操作系统简介openEuler资源管理示例：解决内存碎片化的一种思维基础回顾-计算机系统的存储体系(4)操作系统如何管理磁盘和数据多级页表—提高页表的管理效率，以及地址变换的速度（可以充分利用多级Cache）OpenEuler操作系统简介openEuler：复杂的内存管理基础回顾-计算机系统的存储体系(4)操作系统如何管理磁盘和数据CPU虚拟化—可用n个实际CPU支撑m个虚拟CPU的运行操作系统虚拟化—可用n个宿主硬件支撑m个操作系统的运行（客户机）内存虚拟化—可用n个内存系统（宿主机）支撑m个内存系统（客户机）OpenEuler操作系统简介openEuler：虚拟化系统虚拟化是一种技术，它是在实际物理系统基础上配置出虚拟系统提供给客户使用。而客户使用的虚拟系统在运行时又通过映射最终在实际物理系统中运行。SoCCPUDIECPUDIEIODIEDDRCDDRCAMBA总线AMBAFablic虚拟化中断子系统跨片互联鲲鹏处理器除多核、多级Cache外，提供了很多特性典型特性：鲲鹏处理器的虚拟化技术鲲鹏处理器支持CPUCore虚拟化、内存虚拟化、中断虚拟化等多项虚拟化技术。多个虚拟机VM可以运行在一个中间层（Hypervisor）之上，共用一套硬件资源。每个VM按照原有的方式运行并只看到属于自己的资源，互相不能访问对方的资源。UserSpace应用程序内核CPUKunpengIPC虚拟化&容器KernelHardware网络内存管理KVMcgroup文件系统进程管理设备管理namespaceKAEx86A-Tune虚拟化iSuladDocker①②③④多核调度技术：NumaAware(Non-UniformMemoryAccess)解决方案软硬件协同：提供KAE（KunpengAcceleratorEngine）引擎插件轻量级虚拟化：提供iSulad轻量级容器全场景解决方案智能优化引擎：A-TuneopenEuler具有进程管理、内存管理、文件系统等内核功能外，还将鲲鹏硬件特性做了封装，提供API函数供应用程序使用。OpenEuler操作系统简介鲲鹏处理器与openEuler操作系统第6讲由机器语言到高级语言哈尔滨工业大学计算学部教学委员会主任国家教学名师战德臣第6讲由机器语言到高级语言一、计算机语言的发展二、高级语言程序的基本要素三、不同的计算机语言之异同点四、用高级语言构造程序五、程序设计过程与程序设计环境六、计算机语言与编译的基本思维-抽象与自动化算法解决问题的步骤程序计算机能够理解与执行的解决问题的步骤计算机语言步骤书写的规范、语法规则、标准的集合是人和计算机都能理解的语言高级语言语法要素程序设计技巧程序设计环境算法设计策略算法分析方法数据结构设计算法表达方法读程序写程序练读算法写算法练计算机语言的发展算法、计算机语言与计算机程序计算7+10并存储的机器程序用二进制和编码方式提供的指令系统所编写程序的语言10000110000001111000101000001010100101110000011011110100所有程序都需转换成机器程序，计算机才能执行CPU用二进制和编码提供的可以解释并执行的命令的集合10000110000001111000101100001010操作码地址码指令系统机器语言计算机语言的发展机器语言与机器程序计算7+10并存储的汇编语言源程序用符号编写程序==

翻译==

机器语言程序MOVA,7ADDA,10MOV(6),AHLT人们提供了用助记符编写程序的规范/标准。同时开发了一个翻译程序（被称为汇编程序），实现了将符号程序自动转换成机器语言程序的功能1000011000000111MOVA,7操作码地址码汇编语言用助记符号编写程序的语言，可与机器语言一一对应计算机语言的发展怎样解决机器语言编写程序所存在的困难符号化语言/汇编语言

MOVA,7ADDA,10MOV(6),AHLT汇编程序汇编语言源程序助记符号机器语言程序二进制和编码10000110000001111000101100001010100101110000011011110100由汇编程序自动转换转换执行汇编语言转换规则{

助记符号，机器指令}用助记符号书写程序的规范、语法规则、标准的集合是人和计算机都能理解的语言机器指令的集合是计算机能够理解并执行，但人理解困难的语言机器语言编制完成7+10并存储的汇编语言程序完成7+10并存储的机器语言程序执行计算机语言的发展符号化程序机器不能直接执行怎么办汇编/翻译

测练题：关于汇编语言程序，下列说法正确的是_____。汇编程序，是能够被机器直接执行的程序汇编程序，是用助记符等编写的程序汇编程序，是将汇编语言源程序转换成机器程序的程序汇编程序，是用汇编语言编写的程序ABCD提交单选题1分计算7+10并存储的高级语言(源)程序Result=7+10;Return人们提供了类似于自然语言方式、以语句为单位书写程序的规范/标准。并开发了一个翻译程序，实现了将语句程序自动翻译成机器语言程序的功能。高级语言源程序：是用高级语言编出的程序。编译程序：是将高级语言源程序翻译成机器语言程序的程序。高级语言用类似自然语言的语句编写程序的语言。计算机语言的发展高级语言高级语言：机器无关性；一条高级语言语句往往可由若干条机器语言语句实现且不具有对应性汇编语言：机器相关性；汇编语言语句和机器语言语句有对应性汇编程序汇编语言源程序助记符号转换执行转换规则{助记符号，机器指令}编译程序高级语言源程序变量/表达式/语句机器语言程序二进制和编码10000110000001111000101100001010100101110000011011110100转换执行高级语言编译规则机器语言编制Result=7+10ReturnMOVA,7ADDA,10MOV(6),AHLT自动转换自动转换执行转换汇编器编译器转换计算机语言的发展高级语言vs.汇编语言符号化,计算化再语义化自然/社会问题程序化执行化算法的结果机器程序--机器指令运算器和控制器(CPU)-执行算法自然/社会问题的求解结果产生用0/1编码：指令和数据存储器：0/1存与取0/1化信号化存储高级语言程序编译执行化汇编语言程序程序执行汇编程序执行宁在直中取,不在曲中求曲中求直,蓄而后发计算机语言的发展用高级语言进行问题求解的实现过程计算机语言的发展高级语言（源）程序K=0;ForI=1to100Step1{If

I<=50

&&I>30{K=K+I;

}}保留字变量常量语句表达式【保留字】为编译器识别和处理语句而确定的一些特定符号；【标识符】为常量或变量的名字【符号化】常量、变量—标识符【语句化】赋值、分支与循环【结构化】函数及其调用怎样阅读高级语言程序：（1）识别标识符【常量、变量】；（2）识别表达式【算术表达式、比较表达式和逻辑表达式】，不管多么复杂，其结果就是一个值；（3）识别语句【赋值、分支和循环】；（4）识别函数及其调用。上述程序，你识别清楚了吗？像堆积木一样构造程序Command1ClickPrivateSubCommand1_Click(){//此处放置单击按钮Command1时要执行的程序语句;}Text2TextChangedPrivateSubText2_TextChanged(){//此处放置文本框Text2中内容发生变化时将要执行的程序语句;}TextTextChangedPrivateSubText_TextChanged(){//此处放置文本框Text中内容发生变化时将要执行的程序语句;}Text1TextChangedPrivateSubText1_TextChanged(){//此处放置文本框Text1中内容发生变化时将要执行的程序语句;}Text1GetFocusPrivateSubText1_GetFocus(){//此处放置文本框Text1中内容发生变化时将要执行的程序语句;}计算机语言的发展面向对象的程序设计语言与可视化构造语言怎样阅读高级语言程序：（1）识别对象【窗体对象和控件对象】；（2）识别对象的属性【对象的外观特性及其输入输出】；（3）识别对象的控制操作【消息与事件--单击、双击、获得焦点、文本变化等】；（4）识别对象控制操作所应执行的程序【事件驱动程序】；（5）识别对象及程序的控制逻辑先了解，后续还会讲解计算机/CPU能识别与执行的机器(语言)程序汇编程序编译程序编译程序编程效率高执行效率高汇编语言源程序自动转换高级语言源程序自动转换语言积木块自动转换更大的语言积木块自动转换编译程序计算机语言的发展计算机语言发展的基本思维测练题：从机器语言，到高级语言，再到对象化编程语言，下列说法正确的是_____。编程效率越来越高，程序执行效率可能越来越低编程效率可能越来越低，程序执行效率可能越来越低编程效率可能越来越低，程序执行效率越来越高编程效率越来越高，程序执行效率越来越高ABCD提交单选题1分(可执行)计算机语言源程序新语言源程序编译器新语言：书写规范及其语法结构编辑器类自然语言图形化的模型积木块式编程语言智能化语言及模型(面向各专业的)专业化语言计算机语言的发展不仅要用语言，还要发明新语言1966A.J.Perlis:编程技术和编译架构1972E.W.Dijkstra:ALGOL语言1974DonaldE.Knuth:程序语言1977JohnBackus:高级语言,Fortran1979KennethE.Iverson:编程语言,APL1980C.AntonyR.Hoare:编程语言1981EdgarF.Codd:关系数据库语言1984NiklausWirth：开发了EULER、ALGOL-W、MODULA和PASCAL一系列崭新的计算语言。1987JohnCocke：编译器2001Ole-JohanDahl、KristenNygaard:面向对象编程,SIMULAI和SIMULA67中。2003AlanKay:面向对象语言，Smalltalk2005PeterNaur:Algol60程序语言。2006FranAllen:编译器因计算机语言获得图灵奖的计算机语言的发展计算机技术是伴随着计算机语言的不断发展而发展起来的计算机语言的发展多种多样的高级语言FORTRANALGOLBCPASCALBASICVisualBASICDelphiC++SimulaPythonJavaJavaScriptC#PerlSmalltalk计算机语言的发展多种多样的高级语言测练题：关于计算机语言，下列说法不正确的是_____。面向对象语言或可视化构造语言是以对象(类)为单位来编写程序，一个对象相当于若干条语句((或者说一个对象可用若干条语句来实现)；我们可以设计一种新语言，让用户以其更熟悉的对象(类)来编写源程序，然后提供一个编译器将该源程序转换成某种已广泛使用的高级语言源程序，就可以让机器执行该程序。高级语言是以语句为单位来编写程序，一条语句相当于若干条指令(或者说一条语句可用若干条指令来实现)；汇编语言和机器语言是以指令为单位来编写程序；ABCD提交E上述说法有不正确的。单选题1分第6讲由机器语言到高级语言一、计算机语言的发展二、高级语言程序的基本要素三、不同的计算机语言之异同点四、用高级语言构造程序五、程序设计过程与程序设计环境六、计算机语言与编译的基本思维-抽象与自动化常量、变量与表达式算术表达式示例。算术表达式的结果是一数值；A1+(B2–x1+76)*3(B2+yy4)/L3–xx3比较表达式示例。比较表达式的计算结果是逻辑“真”或“假”；Grade<90Grade>=70N4<A1+B2+20

//注：A1+B2+20为算术表达式，计算完后再与N4的值进行比较

逻辑表达式示例。逻辑表达式的计算结果是逻辑“真”或“假”；(x1>=A1)&&(B2<>y2)将表达式的计算结果赋值给一变量：赋值语句M=X>Y+50；M=(X>Y)AND(X<Y)；K=K+(5*K)；高级语言程序的基本要素基本要素：（1）常量、变量与（2）表达式测练题：已知X=21，Y=15，Z=22，计算表达式((X>Y)or(Y>Z))and((X<Y)or(Y<Z))的值，结果为_____。假真AB提交单选题1分测练题：已知X=21，Y=15，Z=22，计算表达式((X>Y)AND(Y>Z))OR((X<Z)AND(Y<Z))的值，结果为_____。假真AB提交单选题1分Y=50;Z=80;X=30;X=Z+Y; IfY>Z

{X=X-Y;}Else{X=X-Z;}X=X+Y; IfX>Z{X=Y;}X=X-Z;IfX>Y{X=X-Y;}XYZ3050801305010050-30分支语句If(条件表达式)

{条件表达式为真时执行的语句序列}Else

{条件表达式为假时执行的语句序列}高级语言程序的基本要素基本要素：（3）赋值语句、分支语句与循环语句Do

{循环体的程序语句序列}While(条件表达式)；X=1;Y=2;Sum=0;Do{ Sum=X+Y;X=X+1;

Y=Y+1;}While(Sum<=10)//其他语句 XYSum1202333454575696711循环语句(条件循环语句)

高级语言程序的基本要素基本要素：（3）赋值语句、分支语句与循环语句While(条件表达式)

Do

{循环体的程序语句序列}X=1;Y=2;Sum=0;While(Sum<0)

Do{ Sum=X+Y;X=X+1;

Y=Y+1;}<其他语句> XYSum120循环语句(条件循环语句)

高级语言程序的基本要素基本要素：（3）赋值语句、分支语句与循环语句函数的定义形式参数函数体，实现函数功能的程序语句序列，以形式参数作为需要处理的对象。当被调用时，用实际参数替换相应的形式参数进行程序执行。函数的使用实际参数函数是一种抽象，用一个名字代表一个程序段落高级语言程序的基本要素基本要素：（4）函数

测练题：关于普通计算机语言(或者说程序)的基本构成要素，下列说法最完整的是_____。常量与变量、表达式、语句和函数；都不完整。常量与变量、表达式和语句；常量与变量和表达式；ABCD提交单选题1分测练题：读右面的程序，并回答问题：程序行(60)执行了多少次？次数为_____。6754ABCD提交(10) N=6；

(20) X=0；(30) Y=1；(40) ForI=1ToN-1Step1(50) Z=X+Y；(60) X=Y；(70) Y=Z；(80) NextI单选题1分第6讲由机器语言到高级语言一、计算机语言的发展二、高级语言程序的基本要素三、不同的计算机语言之异同点四、用高级语言构造程序五、程序设计过程与程序设计环境六、计算机语言与编译的基本思维-抽象与自动化常量变量赋值语句算术表达式比较表达式逻辑表达式表达式分支结构循环结构顺序结构函数不同的计算机语言之异同点典型语言比较【C语言与Python语言】不同的计算机语言之异同点几种语言比较不同的计算机语言之异同点几种语言比较第6讲由机器语言到高级语言一、计算机语言的发展二、高级语言程序的基本要素三、不同的计算机语言之异同点四、用高级语言构造程序五、程序设计过程与程序设计环境六、计算机语言与编译的基本思维-抽象与自动化程序构造示例【示例】有1000瓶啤酒，每喝完一瓶得到一个空瓶子，每3个空瓶子又能换1瓶啤酒，喝掉以后又得到一个空瓶子。问总共能喝多少瓶啤酒?还剩多少空瓶子?用高级语言构造程序程序构造示例intHowMuchBeer(){int

BeerBottle=1000;int

EmptyBottle=0;fori=0toBeerBottle{EmptyBottle=EmptyBottle+1;if(EmptyBottle==3)then{BeerBottle=BeerBottle+1;

EmptyBottle=0;}}if(EmptyBottle==2) //在最后剩2个空瓶时，加1瓶即可{BeerBottle=BeerBottle+1;

EmptyBottle=0;}Printf(“EmptyBottle=%d”,EmptyBottle);Printf(“BeerBottle=%d”,BeerBottle);}【示例】有1000瓶啤酒，每喝完一瓶得到一个空瓶子，每3个空瓶子又能换1瓶啤酒，喝掉以后又得到一个空瓶子。问总共能喝多少瓶啤酒?还剩多少空瓶子?用高级语言构造程序测练题：读右面的程序，该程序实现的功能为_____。product=1*3*5*...*(N-1)；product=1+3+5+...+(N-1)；product=1+2+3+...+(N-1)；product=1*2*3*...*(N-1)；ABCD提交(10) main()(20) {intcounter；(30) ...//输入N值的语句，略(40) longproduct=1；

(50) forcounter=1toNstep2(60) {product=product*counter；}(70) returnproduct;(80) }E上述都不正确。单选题1分测练题：当程序行(60)执行了3次以后，Product和Counter的值分别为_____。15，5；105，7；

15，7；105，5；ABCD提交(10) main()(20) {intcounter；(30) ...//输入N值的语句，略(40) longproduct=1；

(50) forcounter=1toNstep2(60) {product=product*counter；}(70) returnproduct;(80) }E上述都不正确。单选题1分测练题：已知如下多元素变量，右下程序执行完成后，Sum1和Sum2的值分别为_____。149，105；105，149；136，175；576，576；ABCD提交E上述都不正确。(10) intI=2，J；(20) intSum1=0，Sum2=0；(30) ForJ=0to3Step1(40) { Sum1=Sum1+M[I][J]；

(50) Sum2=Sum2+M[J][I]；}单选题1分测练题：已知如下多元素变量，右下程序执行完成后，Sum1和Sum2的值分别为_____。66，66；66，95；95，66；95，95；ABCD提交E上述都不正确。(10) intJ；(20) intSum1=0，Sum2=0；(30) ForJ=0to3Step1(40) { Sum1=Sum1+M[J][J]；

(50) Sum2=Sum2+M[3-J][J]；}单选题1分第6讲由机器语言到高级语言一、计算机语言的发展二、高级语言程序的基本要素三、不同的计算机语言之异同点四、用高级语言构造程序五、程序设计过程与程序设计环境六、计算机语言与编译的基本思维-抽象与自动化一套书写程序的语法规则计算机语言程序设计环境：编辑、编译、连接、调试、运行一体化平台高级语言程序目标程序可执行程序编辑程序编译程序连接程序公用函数库调试程序程序设计过程：编辑源程序

编译

链接

执行。程序设计过程与程序设计环境程序设计过程•数学运算函数，如三角函数、指数与对数函数、开方函数等；例如sin(α)，Log(x)等；•数据转换函数，如字母大小写变换、数值型数字和字符型数字相互转换等；•字符串操作函数，如取子串、计算字符串长度等；例如，Len("abcd")；•输入输出函数，如输入输出数值、字符、字符串等；例如，Printf(…),Scanf(…)等；•文件操作函数，如文件的打开、读取、写入、关闭等；•其它函数，如取系统日期、绘制图形等。系统提供的可以使用的公用函数类别程序设计过程与程序设计环境熟悉和运用公用函数第6讲由机器语言到高级语言一、计算机语言的发展二、高级语言程序的基本要素三、不同的计算机语言之异同点四、用高级语言构造程序五、程序设计过程与程序设计环境六、计算机语言与编译的基本思维-抽象与自动化编译程序源程序语句机器程序二进制和编码Result=7+10Return10000110000001111000101100001010100101110000011111110100MOVA,7ADDA,10MOV(6),AHLT编译器怎样编译?计算机语言与编译的基本思维-抽象与自动化为什么高级语言程序需要编译由“具体的”运算式到“模式”运算式Result=7+10;V=C+C;Sum=8+15;K=100+105;……注：Result：具体的变量7,10：具体的常量=赋值符号+加法运算符号;语句结束符注：V：变量/标识符C：常量=赋值符号+加法运算符号;语句结束符不变的部分(保留字)变化的部分(常量与标识符)计算机语言与编译的基本思维-抽象与自动化高级语言中的模式化的语句“模式”运算式的识别及常量、变量的标识V=C+C;S1S2S3S4V,V,R空格,null,R=,=,RC,C,RS5S6+,+,R空格,null,R空格,null,R空格,null,R空格,null,RS