計(jì)算思維與計(jì)算機(jī)導(dǎo)論 課件 04-計(jì)算機(jī)軟件的基本思維

4計(jì)算機(jī)軟件的基本思維

天津科技大學(xué)

計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)與信息技術(shù)教研部1目錄4.1軟件系統(tǒng)概述 4.2操作系統(tǒng)

4.1.1軟件與硬件計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。（1）硬件通常由電子器件和機(jī)電裝置組成，是看得見、摸得到的實(shí)體，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各種設(shè)備的總稱。（2）軟件是為計(jì)算機(jī)運(yùn)行服務(wù)的全部技術(shù)和各種程序、數(shù)據(jù)的集合，是計(jì)算機(jī)的靈魂。軟件分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。軟件與硬件硬件和軟件的關(guān)系如下所述。（1）硬件和軟件互相依存，缺一不可。（2）硬件和軟件無嚴(yán)格界限，有時(shí)侯功能是等效的。（3）硬件和軟件協(xié)同發(fā)展。4.1.2系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件是管理、監(jiān)控計(jì)算機(jī)軟硬件資源，維護(hù)計(jì)算機(jī)運(yùn)行，支持應(yīng)用軟件開發(fā)和運(yùn)行的軟件總和。系統(tǒng)軟件包括：（1）操作系統(tǒng)（2）語言處理程序（3）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（4）診斷程序（5）服務(wù)性程序操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)（OperatingSystem，OS）是管理和控制計(jì)算機(jī)所有軟件、硬件資源的程序，是直接運(yùn)行在“裸機(jī)”上的最基本的系統(tǒng)軟件，任何其他軟件都必須在操作系統(tǒng)的支持下才能運(yùn)行。它是人和計(jì)算機(jī)之間的接口，是系統(tǒng)軟件的核心和基礎(chǔ)主要功能包括進(jìn)程管理、存儲(chǔ)管理、磁盤和文件管理和設(shè)備管理。操作系統(tǒng)常用的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)有銀河麒麟、Windows、UNIX、Linux、macOS等。常用的移動(dòng)終端操作系統(tǒng)有鴻蒙、Android、iOS等。銀河麒麟桌面操作系統(tǒng)V10是一款適配國(guó)產(chǎn)軟硬件平臺(tái)并深入優(yōu)化和創(chuàng)新的簡(jiǎn)單易用、穩(wěn)定高效、安全可靠的新一代圖形化桌面操作系統(tǒng)產(chǎn)品。同源支持飛騰、龍芯、申威、兆芯、海光、鯤鵬、Kirin等國(guó)產(chǎn)處理器平臺(tái)和Intel、AMD等國(guó)際主流處理器平臺(tái)4.2.1進(jìn)程管理進(jìn)程是正在運(yùn)行的程序?qū)嶓w，包括這個(gè)運(yùn)行的程序占據(jù)的所有系統(tǒng)資源，比如CPU、輸入輸出設(shè)備、內(nèi)存和網(wǎng)絡(luò)資源等。同一個(gè)程序兩次運(yùn)行，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)獨(dú)立進(jìn)程分時(shí)調(diào)度策略處理器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最重要的資源。由于CPU資源有限，為了避免同一進(jìn)程長(zhǎng)時(shí)間獨(dú)占CPU，需要通過分配策略為每個(gè)申請(qǐng)CPU的進(jìn)程分配CPU，讓每個(gè)進(jìn)程都能執(zhí)行。分時(shí)調(diào)度策略系統(tǒng)將所有進(jìn)程按先來先服務(wù)的原則排成一個(gè)隊(duì)列。每個(gè)進(jìn)程被分配一個(gè)時(shí)間段，稱作它的時(shí)間片。如果在時(shí)間片結(jié)束時(shí)進(jìn)程還在運(yùn)行，則CPU將剝奪該進(jìn)程的運(yùn)行并分配給另一個(gè)進(jìn)程。如果進(jìn)程在時(shí)間片結(jié)束前阻塞或結(jié)束，則CPU立即切換到下一個(gè)進(jìn)程。當(dāng)進(jìn)程用完它的時(shí)間片后，它被移到隊(duì)列的末尾。這樣可以保證就緒隊(duì)列中的所有進(jìn)程在一定時(shí)間內(nèi)，都能獲得一定的處理器執(zhí)行時(shí)間。多處理機(jī)調(diào)度策略當(dāng)一個(gè)大任務(wù)的計(jì)算量很大，用單一CPU計(jì)算可能花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間。此時(shí)可以采用多處理機(jī)協(xié)同工作縮短運(yùn)算時(shí)間將大計(jì)算量的任務(wù)劃分成若干可由單一CPU計(jì)算的小任務(wù)，分配給相應(yīng)CPU來執(zhí)行。小任務(wù)被相應(yīng)CPU執(zhí)行完成后，再將結(jié)果合并處理，形成最終結(jié)果，返回用戶。4.2.2存儲(chǔ)管理存儲(chǔ)管理的主要任務(wù)是分配和回收主存空間、提高主存利用率、擴(kuò)充主存、對(duì)主存信息實(shí)現(xiàn)有效保護(hù)，為系統(tǒng)進(jìn)程和用戶進(jìn)程提供運(yùn)行所需的內(nèi)存空間，同時(shí)保證各用戶進(jìn)程之間互不干擾，保證用戶進(jìn)程不破壞系統(tǒng)進(jìn)程。虛擬內(nèi)存技術(shù)虛擬內(nèi)存技術(shù)，使用部分硬盤空間作為虛擬內(nèi)存，與實(shí)際內(nèi)存一起構(gòu)成一個(gè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際內(nèi)存空間的虛擬存儲(chǔ)空間。當(dāng)系統(tǒng)的實(shí)際內(nèi)存空間耗盡時(shí)，將正在使用的數(shù)據(jù)存放在實(shí)際內(nèi)存中，暫時(shí)不用的數(shù)據(jù)存放在虛擬內(nèi)存中。在需要時(shí)，將虛擬內(nèi)存中的數(shù)據(jù)交換回實(shí)際內(nèi)存中，不用的數(shù)據(jù)交換到虛擬內(nèi)存。如果沒有虛擬內(nèi)存，當(dāng)系統(tǒng)實(shí)際內(nèi)存耗盡時(shí)，將不能再運(yùn)行新程序。當(dāng)系統(tǒng)的內(nèi)存較少時(shí)，經(jīng)常使用虛擬內(nèi)存，頻繁地交換數(shù)據(jù)會(huì)使得系統(tǒng)的整體性能顯著下降。虛擬內(nèi)存技術(shù)4.2.3磁盤和文件管理磁盤和文件管理是操作系統(tǒng)的重要功能，是存儲(chǔ)體系的重要組成部分（1）文件是被賦予了名字的若干信息的集合。（2）磁盤分為盤面、磁道和扇區(qū)（3）扇區(qū)是磁盤的一次讀寫的最小單位。1.分區(qū)與格式化一個(gè)磁盤被劃分成多個(gè)分區(qū)，如C:、D:、E:。格式化，為分區(qū)劃分存儲(chǔ)區(qū)域，包括保留扇區(qū)區(qū)域、文件分配表區(qū)域、根目錄區(qū)域和數(shù)據(jù)區(qū)域，建立文件分配表和根目錄。2.文件夾文件夾用來記錄磁盤上文件的文件名、文件大小、更新時(shí)間等重要信息。文件名包括：（1）文件名（2）分隔點(diǎn)（3）擴(kuò)展名例如：基礎(chǔ).docx文件夾和文件的管理操作：新建、刪除、重命名、移動(dòng)、復(fù)制、搜索等。文件夾搜索【例4.1】搜索文件名為“notepad.exe”，指定修改時(shí)間或者指定文件大小的文件。3路徑路徑（PATH），以分區(qū)符號(hào)開始，以“\”連接各級(jí)文件夾和文件名，可以指向一臺(tái)計(jì)算機(jī)中的一個(gè)文件。C:\WINDOWS\Notepad.exe4．文件分配表為了提高磁盤的訪問速度、便于管理，操作系統(tǒng)將磁盤組織成一個(gè)個(gè)的簇塊，每個(gè)簇塊為2n

個(gè)連續(xù)扇區(qū)，每個(gè)簇塊可以一次連續(xù)讀寫。文件分配表FAT文件的信息分割成若干個(gè)簇塊，寫入磁盤的一個(gè)個(gè)簇塊上。由于文件的變化和寫入的先后次序不同，一個(gè)文件可能存放在連續(xù)或者不連續(xù)的簇塊上。文件分配表FAT文件分配表是記錄文件存儲(chǔ)的簇塊之間銜接關(guān)系的區(qū)域。磁盤的每個(gè)簇塊對(duì)應(yīng)FAT的一項(xiàng)，編號(hào)一一對(duì)應(yīng)。FAT表中的一項(xiàng)內(nèi)容指出下一個(gè)簇塊的編號(hào)。5．磁盤查錯(cuò)和磁盤碎片整理過磁盤清理、磁盤查錯(cuò)和磁盤碎片整理等操作優(yōu)化驅(qū)動(dòng)器，以幫助計(jì)算機(jī)提高運(yùn)行效率磁盤和文件管理提示：磁盤和文件的管理采用化整為零的基本思維，將磁盤劃分為多個(gè)分區(qū)，每個(gè)分區(qū)劃分為大量簇塊，通過文件分配表保存文件的簇塊順序。每個(gè)簇塊都很小，每個(gè)文件僅浪費(fèi)最后一個(gè)簇塊中剩余的空間，從而減少空間的浪費(fèi)。如果文件夾被破壞，則其中文件指向的簇塊將被異常占用；如果文件分配表被破壞，則其中的文件將不能正常存取。4.2.4設(shè)備管理設(shè)備管理是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中除了CPU和內(nèi)存以外的所有輸入輸出設(shè)備的管理，為用戶分配和回收外部設(shè)備，控制外部設(shè)備按用戶程序的要求進(jìn)行操作等。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，是一種可以使計(jì)算機(jī)和設(shè)備通信的特殊程序，它相當(dāng)于硬件的接口，操作系統(tǒng)只有通過這個(gè)接口，才能控制硬件設(shè)備的工作。設(shè)備管理分層的思維方法：將一個(gè)復(fù)雜的問題劃分成若干個(gè)抽象層次，每個(gè)抽象層次都相對(duì)比較簡(jiǎn)單，易于求解。編制每一層相應(yīng)的處理程序，實(shí)現(xiàn)相鄰層之間的轉(zhuǎn)換。操作系統(tǒng)在進(jìn)行設(shè)備管理時(shí)，通過分層思維使得下一層向上一層屏蔽實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，上一層的開發(fā)不需要關(guān)心下一層的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。操作系統(tǒng)設(shè)備分層管理高級(jí)語言層設(shè)備無關(guān)層設(shè)備相關(guān)層設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序4.2.5虛擬機(jī)虛擬機(jī)（VirtualMachine）指通過軟件模擬的具有完整硬件系統(tǒng)功能的、運(yùn)行在一個(gè)完全隔離環(huán)境中的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。虛擬機(jī)軟件有VMWare、VirtualBox和VirtualPC等4.2.6虛擬主機(jī)將一臺(tái)物理服務(wù)器分割成多個(gè)邏輯主機(jī)，每一個(gè)邏輯主機(jī)都能像一臺(tái)物理主機(jī)一樣在網(wǎng)絡(luò)上工作，各個(gè)邏輯主機(jī)之間完全獨(dú)立，從外部看就是多個(gè)服務(wù)器，所以稱為虛擬主機(jī)。各個(gè)用戶擁有自己的系統(tǒng)資源（IP地址、存儲(chǔ)空間、內(nèi)存、CPU等），每一臺(tái)虛擬主機(jī)和一臺(tái)單獨(dú)的主機(jī)的表現(xiàn)完全相同。虛擬主機(jī)提示：多個(gè)遠(yuǎn)程用戶從一臺(tái)服務(wù)器主機(jī)上獲得各自獨(dú)立的虛擬主機(jī)，每個(gè)虛擬主機(jī)擁有單獨(dú)IP地址（或共享的IP地址）、獨(dú)立域名以及完整的Internet服務(wù)器，支持WWW、FTP、E-mail等功能。虛擬主機(jī)技術(shù)能夠節(jié)省服務(wù)器硬件成本，充分利用服務(wù)器硬件資源。用戶可以花費(fèi)較少的費(fèi)用，在阿里云、騰訊云等平臺(tái)購買和使用虛擬主