計算機導論（第5版） 課件 袁方 第4、5章 計算機硬件知識、操作系統(tǒng)知識

計算機導論第4章計算機硬件知識目錄CONTENTS0102計算機的基本組成與工作原理中央處理器03輸入設(shè)備04存儲器目錄CONTENTS0506輸出設(shè)備主板07計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展08總線計算機的基本組成與工作原理計算機的基本組成；計算機的基本工作原理/01計算機的基本組成與基本工作原理

計算機是一種能夠按照程序?qū)?shù)據(jù)進行自動處理的電子設(shè)備。這里所說的計算機是指存儲程序式電子數(shù)字計算機，組成計算機硬件的主體是電子器件和電子線路，計算機存儲和處理的是數(shù)字信息，存儲在計算機中的程序通過控制器控制計算機的數(shù)據(jù)處理工作。計算機的基本組成組成一臺計算機的所有物理設(shè)備構(gòu)成計算機硬件子系統(tǒng)。計算機硬件是看得見摸得著的實體，是計算機工作的物質(zhì)基礎(chǔ)。在分析“埃尼阿克”設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，1945年6月，馮·諾依曼等人完成了《EDVAC報告初稿》，報告給出了電子計算機邏輯設(shè)計的基本要素：二進制，不僅數(shù)據(jù)用二進制表示和存儲，組成程序的指令也用二進制表示和存儲；存儲程序，程序及其要處理的數(shù)據(jù)存放在存儲器中；5個基本組成部分，計算機由控制器、運算器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備5個部分組成。計算機的基本組成計算機各組成部分的主要功能運算器用來完成算術(shù)運算和邏輯運算?？刂破靼闯绦虼a的要求控制計算機各個部分協(xié)調(diào)一致地工作，完成程序規(guī)定的任務(wù)。存儲器用來存放程序及其要處理的數(shù)據(jù)，這里的存儲器指內(nèi)存。輸入設(shè)備用于將程序與數(shù)據(jù)輸入計算機，常用輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標、觸摸屏、掃描儀和3D掃描儀等。輸出設(shè)備用于將程序執(zhí)行結(jié)果輸出，常用輸出設(shè)備有顯示器、打印機、3D打印機和繪圖儀等。計算機的基本工作原理根據(jù)要完成任務(wù)的詳細工作步驟（算法），編寫出相應(yīng)的程序。通過鍵盤等輸入設(shè)備把編寫的程序輸入到計算機的存儲器中，用一種稱為解釋器或編譯器的軟件將由語句組成的高級語言程序翻譯成由二進制指令組成的機器語言程序并存放在存儲器中。存儲在存儲器中的機器語言程序能夠被計算機直接執(zhí)行。執(zhí)行機器語言程序時，控制器首先按照取指令—分析指令—執(zhí)行指令的模式執(zhí)行程序中的第一條指令。執(zhí)行完一條指令，控制器讀取下一條指令，按同樣的取指令-分析指令-執(zhí)行指令模式把程序中所有的指令執(zhí)行完，任務(wù)也就完成了。中央處理器中央處理器的基本組成；中央處理器芯片的制作過程/02中央處理器的基本組成CPU的組成與功能中央處理器（CPU）由運算器、控制器和寄存器組成。運算器負責完成算術(shù)運算和邏輯運算；寄存器用于臨時保存參與運算的數(shù)據(jù)和運算后的結(jié)果；控制器負責按照程序的要求指揮各部件工作。中央處理器是組成計算機最核心的部件。隨著集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，CPU可以集成在一個半導體芯片上，這種具有中央處理器功能的超大規(guī)模集成電路芯片，稱為微處理器。微處理器就是芯片化的CPU。CPU還廣泛應(yīng)用在智能手機、數(shù)碼相機和數(shù)控機床等數(shù)字化智能設(shè)備上。近些年，超級計算機、大型計算機等高端計算機系統(tǒng)也采用大量的通用高性能微處理器建造。中央處理器的基本組成CPU的主要性能指標—兼容性每種微處理器都有特定的指令集，指令集就是某款CPU能夠識別的指令集合。適用于特定CPU的機器語言必須使用該CPU的指令集。由于各CPU都有特定的指令集，為某款CPU的計算機設(shè)計的程序在另一款CPU的計算機上可能無法運行。CPU制造商在推出新產(chǎn)品時，需要認真考慮兼容性問題。如果運行在舊款CPU上的程序不用修改，就能直接在新款的CPU上運行，就稱新款CPU向下兼容舊款CPU。向下兼容有利于新型CPU及相應(yīng)計算機的推廣。中央處理器的基本組成CPU的主要性能指標—字長字長是指CPU一次能夠處理數(shù)據(jù)的二進制位數(shù)，字長的大小直接反映計算機的數(shù)據(jù)處理能力，字長越長，一次可處理的二進制數(shù)據(jù)位數(shù)就越多，運算速度也就越快。例如，要完成兩個64位二進制數(shù)據(jù)的加法運算，32位的CPU需要做兩次加法操作，而16位的CPU需要做4次加法，如果是目前常見的64位的CPU，做一次加法就可以了。當然，字長越長，制作的技術(shù)難度就越大，成本也就越高。中央處理器的基本組成CPU的主要性能指標—主頻主頻是指CPU的時鐘頻率，它決定了CPU每秒鐘可以劃分為多少個時鐘周期，可以執(zhí)行多少條指令。主頻越高，CPU的運算速度也就越快。但主頻并不等于CPU一秒鐘執(zhí)行的指令條數(shù)，因為執(zhí)行一條指令可能需要多個時鐘周期。例如，如果一款CPU的主頻為3.5GHz，則一秒鐘可以劃分為3.5×109個時鐘周期，如果執(zhí)行一條指令平均需要6個時鐘周期，則該CPU一秒鐘可以執(zhí)行約0.6×109條指令，即約6億條指令。CPU芯片的制作過程CPU的設(shè)計—設(shè)計指令集設(shè)計CPU，首先要做的工作是設(shè)計指令集，即明確CPU能執(zhí)行哪些指令，具備哪些功能。指令集中包括算術(shù)運算指令、邏輯運算指令、存取數(shù)據(jù)指令、比較指令、轉(zhuǎn)移指令等。設(shè)計指令集可以使用硬件描述語言（HDL），VerilogHDL和VHDL是最流行的兩種硬件描述語言。VerilogHDL以文本形式描述數(shù)字系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)和行為，用它可以表示邏輯電路圖、邏輯表達式，還可以表示數(shù)字邏輯系統(tǒng)所能完成的邏輯功能。CPU芯片的制作過程CPU的設(shè)計—畫出電路圖針對二進制形式的指令，畫出相應(yīng)的電路圖，然后依據(jù)電路圖制作出實際的電路，一條指令對應(yīng)一部分電路。按照VerilogHDL代碼畫出數(shù)字電路設(shè)計圖可以使用電子設(shè)計自動化（EDA）軟件，EDA是一類對電路進行自動布局、布線、分析、驗證的設(shè)計軟件。基于VerilogHDL代碼描述的數(shù)字電路的邏輯功能，EDA軟件能夠完成自動轉(zhuǎn)換成晶體管的布局、自動排布晶體管之間的連接線路。以及時序分析、功耗分析、功能驗證等工作。CPU芯片的制作過程CPU的生產(chǎn)—熔沙成硅對主要成分是二氧化硅的沙子進行熔煉、脫氧和凈化等處理，得到可用于制造半導體的高純度硅，其形狀為圓柱形硅錠。隨著熔煉工藝的不斷改進，硅錠的直徑從早期的2英寸（50毫米）逐步發(fā)展到近幾年的8英寸（200毫米）和12英寸（300毫米）。CPU芯片的制作過程CPU的生產(chǎn)—切割硅錠用切割工具對硅錠進行橫向切割，得到稱為晶圓的圓形硅片，并對切割出的晶圓進行拋光處理，使晶圓的表面非常平滑。CPU芯片的制作過程CPU的生產(chǎn)—光刻蝕刻在晶圓的表面涂抹一層非常薄、非常均勻的光刻膠，然后使用光刻機按照CPU版圖（電路圖）在晶圓上進行光刻和蝕刻等處理，生成相應(yīng)的晶體管以及晶體管之間的連線。多次重復該過程，可以形成多層的電路。CPU芯片的制作過程CPU的生產(chǎn)—切分晶圓把晶圓切分成晶片。一片直徑為12英寸（300毫米）的晶圓，其面積有幾萬平方毫米，可以切分出幾百片晶片，每一片晶片就是一個CPU內(nèi)核（die），包含一套完整的CPU電路。CPU芯片的制作過程CPU的生產(chǎn)—封裝測試把一片CPU晶片放到一個稱為襯底或基片的絕緣底座上，底座下面是用于連接到主板的焊點，晶片上面再覆蓋一個稱為散熱片的金屬殼，就形成了一個單內(nèi)核CPU。封裝后再進行最后的測試，通過測試的芯片就可以自用或出售了。CPU芯片的制作過程制作CPU芯片是一項非常復雜、精細、嚴格的工作，對設(shè)計人員，對所用的設(shè)備和工具都有很高的要求。在設(shè)計指令集時，要考慮到CPU的內(nèi)部架構(gòu)設(shè)計和操作系統(tǒng)的設(shè)計以及應(yīng)用軟件的設(shè)計。對提取出的硅的純度要求很高，要達到99.9999％，相當于平均每一百萬個硅原子中最多只有一個雜質(zhì)原子。晶圓的厚度只有1毫米左右，要在其上完成多層的拋光、涂抹光刻膠、光刻、蝕刻等處理。晶體管的集成度非常高，1平方毫米要集成上億個晶體管。存儲器內(nèi)存；外存/03存儲器概述

存儲器分為內(nèi)存和外存，也分別稱為主存儲器（主存）和輔助存儲器（輔存）。

內(nèi)存用于存放要執(zhí)行的程序和相應(yīng)的數(shù)據(jù)，外存作為內(nèi)存的后援設(shè)備，存放暫時不需要執(zhí)行而將來要執(zhí)行的程序和相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

沒有內(nèi)存，程序就無法保存到內(nèi)存中，因而也就無法執(zhí)行。沒有外存，輸入的程序及相應(yīng)的數(shù)據(jù)就不能長久保存。存儲器概述

目前主要采用半導體器件和磁性材料作為存儲器的存儲介質(zhì)。

一個雙穩(wěn)態(tài)半導體電路或磁性材料的一個磁化元都可以存儲一個二進制位，稱為一個存儲位或一個存儲元，由若干存儲元組成一個存儲單元，存儲器就是由很多個存儲單元組成的。每一個存儲單元有一個編號，稱為存儲單元的地址。一個存儲器中存儲單元的個數(shù)稱為該存儲器的存儲容量，存儲容量越大，存儲的數(shù)據(jù)就越多。

存儲器概述一個存儲元存儲一個二進制位（bit,簡記b），一個存儲單元一般存儲8個二進制位，稱為一個字節(jié)（Byte，簡記B），存儲器的存儲容量用字節(jié)數(shù)來表示。

常用的存儲容量的度量單位有千字節(jié)（KB）、兆字節(jié)（MB）、吉字節(jié)（GB）、太字節(jié)（TB）、拍字節(jié)（PB）、艾字節(jié)（EB）、澤字節(jié)（ZB）等。

其中，1ZB=1024EB，1EB=1024PB，1PB=1024TB，1TB=1024GB，1GB=1024MB，1MB=1024KB，1KB=1024B，1B=8b。內(nèi)存最早的內(nèi)存是以磁芯的形式排列在線路上，每個磁芯與晶體管組成一個雙穩(wěn)態(tài)電路，用于存儲一個二進制位，一位的存儲器體積有玉米粒大小，其整體存儲容量因體積影響受到很大限制。隨著集成電路的出現(xiàn)和集成度的不斷提高，出現(xiàn)了能夠焊接在主板上的集成電路形態(tài)的內(nèi)存芯片，大幅度提高了存儲容量。隨著CPU的發(fā)展和升級，對內(nèi)存的性能提出了更高的要求，出現(xiàn)了內(nèi)存條——將內(nèi)存芯片焊接到事先設(shè)計好的印制電路板上，在計算機主板上留有相應(yīng)的內(nèi)存插槽，可以方便地插拔和更換內(nèi)存條，為靈活配置和擴充內(nèi)存容量帶來了方便。內(nèi)存隨機存取存儲器（RAM）隨機存取指可以根據(jù)地址直接存取任一單元中的數(shù)據(jù)，其存取速度比順序存取要快得多。RAM可分為靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM）和動態(tài)隨機存取存儲器（DRAM），RAM內(nèi)存主要選用DRAM。隨著技術(shù)的不斷進步，出現(xiàn)了同步動態(tài)隨機存取存儲器（SDRAM），并在此基礎(chǔ)上出現(xiàn)了單倍數(shù)據(jù)速率SDRAM（SDR-SDRAM，簡稱SDR）、雙倍數(shù)據(jù)速率SDRAM（DDR-SDRAM，簡稱DDR）、4倍數(shù)據(jù)速率SDRAM（QDR-SDRAM，簡稱QDR）。內(nèi)存隨機存取存儲器（RAM）現(xiàn)在用得比較多的隨機存取存儲器是DDR內(nèi)存，DDR內(nèi)存經(jīng)歷了DDR、DDR2、DDR3、DDR4、DDR5的發(fā)展，存儲容量越來越大，存取速度越來越快。目前的RAM一般以內(nèi)存條的形式存在。在通電的情況下，RAM中的數(shù)據(jù)能夠保持，關(guān)機或斷電將導致RAM中的數(shù)據(jù)丟失。內(nèi)存只讀存儲器（ROM）ROM中的數(shù)據(jù)一般是在計算機出廠前由制造商寫入的，在斷電或關(guān)機后數(shù)據(jù)也不會丟失。主要用于存放與計算機開機相關(guān)的系統(tǒng)引導程序、開機自檢程序和系統(tǒng)參數(shù)等。隨著技術(shù)的進步及為了滿足現(xiàn)實的需要，陸續(xù)出現(xiàn)了多種可由用戶寫入數(shù)據(jù)的ROM：只允許寫入數(shù)據(jù)一次的PROM、可多次寫入的EPROM/EEPROM和快閃存儲器（閃存）。閃存不僅集成度高、功耗低、體積小，而且擦寫方便，因而很快發(fā)展起來，得到廣泛應(yīng)用的U盤就是一種基于閃存技術(shù)的存儲設(shè)備。內(nèi)存高速緩存（cache）為了解決內(nèi)存與CPU工作速度上的矛盾，設(shè)計人員在CPU和內(nèi)存之間增設(shè)了一級存儲容量不大、但存取速度很快的高速緩沖存儲器，簡稱高速緩存或緩存。緩存中存放部分正在運行的指令和數(shù)據(jù)，當CPU需要讀取新的指令和數(shù)據(jù)時，首先從緩存中查找，找到則直接執(zhí)行；如果所需指令和數(shù)據(jù)不在緩存中，再到內(nèi)存中讀取，并同時寫入緩存中。因此采用緩存可以提高系統(tǒng)的運行速度。緩存由存取速度快、成本高的靜態(tài)存儲器（SRAM）構(gòu)成，緩存的容量早期在KB級，現(xiàn)在達到了MB級。內(nèi)存高速緩存（cache）早期的緩存只有一級，分指令緩存和數(shù)據(jù)緩存，集成在CPU內(nèi)部，后來出現(xiàn)了二級緩存和三級緩存，二級和三級緩存一般不再分指令緩存和數(shù)據(jù)緩存，有集成在CPU內(nèi)部的，也有集成在主板上的。外存軟盤軟盤是軟磁盤的簡稱，現(xiàn)在已經(jīng)不用了，但通過對軟盤的介紹可以更好的理解機械硬盤的存儲結(jié)構(gòu)。1967年，IBM公司推出世界上第一張軟盤，直徑為32英寸。之后陸續(xù)推出了直徑為8英寸、5英寸、3英寸的軟盤。5英寸和3英寸軟盤在20世紀80~90年代曾得到廣泛應(yīng)用。軟盤的圓形盤片由塑料等軟質(zhì)材料做成，其表面涂覆一層用于存儲信息的磁性材料，盤片被封裝在方形保護套內(nèi)。外存軟盤軟盤存儲的數(shù)據(jù)是按一系列同心圓記錄在圓形盤片表面的，每一個同心圓稱為一個磁道。磁道從外向內(nèi)依次編號為0道、1道、2道、……，每個磁道又劃分為若干弧段，稱為扇區(qū)，扇區(qū)是軟盤的基本存儲單位，每個扇區(qū)的存儲容量為512B，扇區(qū)按1、2、3、…的順序編號。軟盤的存儲容量=盤面數(shù)×每面磁道數(shù)×每磁道扇區(qū)數(shù)×每扇區(qū)字節(jié)數(shù)曾經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的3英寸軟盤，兩面都能存儲信息，每面有80個磁道，每個磁道分為18個扇區(qū)，因此其存儲容量為：2×80×18×512=1.44MB計算機通過軟盤驅(qū)動器讀寫軟盤上的數(shù)據(jù)。外存硬盤（機械硬盤）硬盤是硬磁盤的簡稱，最早出現(xiàn)在1956年，由IBM公司研制成功，存儲容量只有5MB。1973年IBM公司研制出第一塊溫徹斯特硬盤，存儲容量達到60MB，其主要特點是具有密封、固定并高速旋轉(zhuǎn)的鍍磁盤片，磁頭沿盤片徑向移動，磁頭懸浮在高速轉(zhuǎn)動的盤片上方，而不與盤片直接接觸。1991年IBM公司生產(chǎn)的使用了巨磁阻效應(yīng)磁頭的3英寸硬盤的存儲容量首次達到了1GB。2000年，IBM公司使用玻璃取代傳統(tǒng)的鋁作為盤片材料，這為硬盤帶來更大的平滑性及更高的堅固性，玻璃材料在高轉(zhuǎn)速時具有更高的穩(wěn)定性，硬盤的存儲容量達到75GB。在硬盤的發(fā)展過程中，體積越來越小、容量越來越大，并出現(xiàn)了移動硬盤。目前一塊硬盤的存儲容量已達到TB級。外存硬盤（機械硬盤）一塊硬盤中可包含多張硬盤片，而且硬盤片與硬盤驅(qū)動器是封裝在一起的，所以日常所說的硬盤既包括硬盤片，也包括硬盤驅(qū)動器。硬盤的存儲容量=磁頭數(shù)×柱面數(shù)×每磁道扇區(qū)數(shù)×每扇區(qū)字節(jié)數(shù)磁頭磁頭臂磁盤主軸與主軸電動機磁頭臂軸與電動機外存固態(tài)硬盤固態(tài)硬盤是使用固態(tài)電子存儲芯片制成的硬盤，目前常用的固態(tài)硬盤采用快閃存儲器（閃存）作為存儲介質(zhì)。其內(nèi)部主體是一塊印制電路板（PCB），PCB上最主要的部件是控制芯片、緩存芯片和閃存芯片陣列?？刂菩酒闹饕饔檬呛侠碚{(diào)配數(shù)據(jù)在各個閃存芯片上的存儲及對外接口，緩存芯片輔助控制芯片進行數(shù)據(jù)處理，閃存芯片陣列用于存儲數(shù)據(jù)。相對于機械硬盤，固態(tài)硬盤的優(yōu)點是讀寫速度快、防震動抗摔碰性能好、無噪聲、更輕便，缺點是價格比較高、擦寫次數(shù)有限制、損壞后數(shù)據(jù)難以恢復。外存固態(tài)硬盤目前常用的固態(tài)硬盤主要有SATA接口硬盤和M.2接口硬盤。SATA接口的固態(tài)硬盤與機械硬盤在外形與大小上一致，但比機械硬盤的存取速度快。M.2接口的固態(tài)硬盤比SATA接口的固態(tài)硬盤體積小、速度更快，更適合用于筆記本等移動設(shè)備中。外存光盤光盤中的數(shù)據(jù)是存儲在其螺旋形的光道上，通過激光照射讀寫數(shù)據(jù)。CD光盤：包括只讀光盤（CD-ROM）、一次寫入型光盤（CD-R）、可重復寫光盤（CD-RW）等，常用CD的存儲容量有650MB和700MB兩種，用戶存放音樂。VCD光盤：可存儲約70分鐘基于MPEG-1標準的影視節(jié)目。VCD的存儲容量與CD相同。外存光盤DVD光盤：具有更大的存儲容量和更好的存儲質(zhì)量。每張DVD光盤的存儲容量可以達到4.7GB、8.5GB、9.4GB和17GB。DVD有6種格式DVD-ROM用于存儲數(shù)據(jù)，只讀型光盤。DVD-R可由用戶寫入一次數(shù)據(jù)。DVD-RW采用順序存取方式并可以重寫1000次。DVD-RAM能隨機存取并可以重寫100000次。DVD-Video用于存儲和播放電影和其他可視娛樂節(jié)目。DVD-Audio用于存儲音頻數(shù)據(jù)并且比標準CD具有更好的音質(zhì)。外存U盤U盤是USB盤的簡稱，通過USB接口與計算機相連。USB是通用串行總線（UniversalSerialBus）的英文縮寫，是一個外部總線標準，用于規(guī)范個人計算機與外部設(shè)備的連接和通信，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到3.0版本，成為目前個人計算機的標準擴展接口。USB接口具有傳輸速度快（USB3.0達到5.0Gbps）、使用方便、支持熱插拔和連接靈活等優(yōu)點，可以連接鼠標、鍵盤、打印機、掃描儀、移動硬盤、U盤、手機、數(shù)碼相機、攝像頭、USB網(wǎng)卡等幾乎所有的外部設(shè)備。U盤是一種基于閃存技術(shù)的移動存儲設(shè)備，閃存用快可擦可編程只讀存儲器芯片（EPROM芯片）來存儲數(shù)據(jù)。外存U盤U盤具有體積小、存儲容量大和價格低等優(yōu)點，是目前人們最常用的移動存儲設(shè)備，存儲容量從早期的幾十MB到幾百MB，發(fā)展到目前的幾十GB。U盤的存儲介質(zhì)是基于集成電路的閃存芯片，隨著集成度的不斷提高，U盤的體積越來越小、存儲容量越來越大、成本越來越低。下圖所示為一款普通U盤和一款帶寫保護口的U盤。輸入設(shè)備鍵盤；鼠標；觸摸屏；掃描儀；3D掃描儀/04輸入設(shè)備鍵盤鍵盤是最常用的輸入設(shè)備。通過鍵盤，可以向計算機輸入字母、漢字、數(shù)字和標點符號等數(shù)據(jù)，也可以輸入命令控制計算機的運行。隨著圖形界面操作系統(tǒng)成為主流，101鍵和104鍵鍵盤得到廣泛應(yīng)用。在104鍵鍵盤之后出現(xiàn)的是新興多媒體鍵盤，在傳統(tǒng)的鍵盤基礎(chǔ)上增加了一些常用快捷鍵或音量調(diào)節(jié)裝置，對于收發(fā)電子郵件、打開瀏覽器和啟動多媒體播放器等都只需要按一個特殊按鍵即可，進一步簡化了操作。輸入設(shè)備鼠標隨著圖形界面操作系統(tǒng)成為主流操作系統(tǒng)，鼠標也成為微型機的標配輸入設(shè)備，鼠標的使用給人們操作各種圖形界面軟件帶來了極大的方便。美國著名計算機科學家道格拉斯·恩格爾巴特因發(fā)明鼠標，獲得1992年度的IEEE-CS計算機先驅(qū)獎和1997年度的圖靈獎。鼠標類型主要有機械鼠標和光電鼠標。光電鼠標的內(nèi)部有紅外或激光發(fā)射、接收裝置，它利用光的反射來確定鼠標的移動，是目前常用的一種鼠標。目前USB接口有線鼠標和2.4G無線鼠標較為常見。輸入設(shè)備觸摸屏觸摸屏是一種用手指或筆觸及屏幕上所顯示的選項來完成指定操作的人機交互式輸入設(shè)備。觸摸屏由三個部分組成，一是傳感器，把手指或筆觸及的位置檢測出來；二是控制卡，觸及信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器形成位置數(shù)據(jù)，經(jīng)接口送入計算機；三是驅(qū)動程序，即相應(yīng)的管理軟件。觸摸屏是平板電腦的主要輸入設(shè)備，觸摸屏還廣泛應(yīng)用于智能手機、筆記本電腦、智慧教室顯示屏、自動售票等設(shè)備上，極大地方便了用戶操作。輸入設(shè)備掃描儀掃描儀是一種將圖像信息輸入計算機的輸入設(shè)備，它將圖像分割成條或塊，逐條或逐塊依次掃描，利用光電轉(zhuǎn)換元件把模擬信號（紙上圖像）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號（數(shù)字圖像）并輸入計算機。利用掃描儀可以輸入圖片，也可以輸入文字?，F(xiàn)在除了獨立的掃描儀外，很多激光打印機也附帶有掃描儀功能。輸入設(shè)備3D掃描儀3D掃描儀也稱三維掃描儀，是一種采集三維物體的形狀與外觀數(shù)據(jù)并輸入計算機的設(shè)備。3D掃描儀通過掃描的方式采集目標物體的幾何形狀與外觀數(shù)據(jù)，外觀數(shù)據(jù)包括物體表面的顏色、光照亮度等，并把采集到的數(shù)據(jù)用于進行三維重建計算，在計算機中建立起目標物體的三維數(shù)字模型。3D掃描、三維數(shù)字模型重建、3D打印已逐步廣泛應(yīng)用于虛擬博物館、電影制作、游戲創(chuàng)作、工業(yè)設(shè)計、智慧醫(yī)療等領(lǐng)域。輸出設(shè)備顯示器；打印機；3D打印機；繪圖儀/05輸出設(shè)備顯示器顯示器用來顯示字符與圖形圖像信息，是計算機必配的輸出設(shè)備。常用的顯示器有CRT顯示器和液晶顯示器，早期臺式計算機主要配置CRT顯示器，目前液晶顯示器已經(jīng)取代了CRT顯示器。液晶顯示器（LCD）是在兩片平行的玻璃當中放置液態(tài)的晶體，兩片玻璃中間有許多垂直和水平的細小電線，通過通電與否來控制桿狀水晶分子改變方向，將光線折射出來產(chǎn)生畫面。LCD顯示器具有體積小、重量輕、省電、無閃爍和不產(chǎn)生輻射等優(yōu)點。輸出設(shè)備顯示器顯示器要通過顯示適配器（顯卡）才能與CPU相連，顯卡連接CPU與顯示器的接口電路，插接在主板的擴展槽上。顯卡的主要作用是把CPU向顯示器發(fā)出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為顯示器所需的模擬信號。顯卡分集成顯卡和獨立顯卡，獨立顯卡具有比集成顯卡更強大、快速的圖形圖像處理能力及并行計算能力，而且易于更新升級。顯卡主要由顯示芯片、顯示內(nèi)存、RAMDAC芯片和總線接口組成。輸出設(shè)備顯示器顯示芯片是顯卡的核心部件，其主要功能是對要顯示的圖形、圖像、視頻信息進行計算處理和渲染。顯示內(nèi)存用來存放顯示芯片處理后的數(shù)據(jù)，其容量和存取速度影響著顯卡的整體性能，對顯示器的分辨率及色彩的位數(shù)也有影響。RAMDAC芯片將顯示內(nèi)存中的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成能在顯示器上顯示的模擬信號，其轉(zhuǎn)換速度影響著顯卡的刷新頻率和最大分辨率?？偩€接口是顯卡與主板總線的通信接口，實現(xiàn)顯示器與CPU的連接與通信，近幾年使用較多的是PCI-E接口。輸出設(shè)備顯示器早期顯卡的作用比較簡單，主要功能是把數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為能夠在顯示器上顯示的模擬信號。隨著3D圖形圖像成為重要的顯示內(nèi)容，能夠高效處理3D圖形圖像的圖形處理器(GPU)成為顯示芯片的主流選擇。GPU的使用使圖形圖像處理減少了對CPU的依賴，提高了圖形圖像處理速度和顯示效果。GPU的計算部件是專門針對圖形圖像和視頻處理等高強度并行浮點運算而設(shè)計的，而人工智能模型的訓練也需要大量的并行浮點運算，近幾年GPU卡在人工智能模型訓練上得到了廣泛應(yīng)用，有效提高了模型的訓練速度。輸出設(shè)備打印機打印機也是一種常用的輸出設(shè)備，用于將計算機處理結(jié)果打印在紙上。利用打印機不僅可以打印數(shù)字、文字，也可以打印圖形和圖像。目前常用的打印機有針式打印機、激光打印機和噴墨打印機。針式打印機的打印頭上有若干根精密的打印針，打印時相應(yīng)的打印針撞擊色帶（在打印紙上留下細小的色點痕跡）來完成打印工作，常用的是24針打印機?，F(xiàn)在在銀行、賓館、藥店等需要多聯(lián)票據(jù)打印的地方還在使用。輸出設(shè)備打印機噴墨打印機的打印頭上有許多小噴嘴，使用液體墨水，精細的小噴嘴將墨水噴到紙面上形成字符或圖像等要打印的內(nèi)容。激光打印機采用激光和電子放電技術(shù)，通過靜電潛像，再用碳粉使?jié)撓褡兂煞巯?，加熱后碳粉固定，最后印出?nèi)容。選擇購買打印機可以從打印分辨率、打印速度、打印紙最大尺寸和價格等方面綜合考慮。輸出設(shè)備3D打印機3D打印其實是一種快速成形技術(shù)，以3D數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用塑料、金屬等可黏合材料，通過逐層打印粘合材料的方式來構(gòu)造物體。基于3D打印技術(shù)，完成3D打印工作的設(shè)備稱為3D打印機。3D打印機的打印方式：一是在成形的區(qū)域噴灑一層液態(tài)黏合劑，然后再噴灑一層均勻的原料粉末，粉末遇到黏合劑會迅速固化粘結(jié)，這樣在一層液態(tài)黏合劑一層粉末的交替下，實物被逐漸打印成形。二是使用激光燒結(jié)技術(shù)，按形狀先噴灑一層粉末，然后通過激光高溫燒結(jié)后，再噴灑一層粉末，再通過激光高溫燒結(jié)，層層累加，打印出實物。三是使用熔積成型技術(shù)，在噴頭內(nèi)熔化原料并逐層擠出，原料擠出后凝固成型。輸出設(shè)備3D打印機最早的3D打印機出現(xiàn)在20世紀80年代。從長遠來看，3D打印將會沖擊基于車床、鉆頭、沖壓機、制模機等工具的傳統(tǒng)制造業(yè);但從目前看，由于受到打印材料、打印成本和打印速度等因素的制約，主要還是用于產(chǎn)品模型、設(shè)計樣品等的打印，還難以規(guī)?；蛴嵱卯a(chǎn)品。3D打印機可以和3D掃描儀配合使用，對于一個實物，先用3D掃描儀掃描生成三維數(shù)字模型，然后用3D打印機打印出來。輸出設(shè)備繪圖儀繪圖儀是一種能在紙張、薄膜和膠片等記錄介質(zhì)上繪出計算機生成的各種圖形或圖像的設(shè)備。按結(jié)構(gòu)和工作原理繪圖儀可以分為滾筒式和平臺式兩大類。繪圖儀除了必要的硬件設(shè)備之外，還必須配備豐富的繪圖軟件。只有軟件與硬件結(jié)合起來，才能實現(xiàn)自動繪圖。主板芯片；擴展槽；對外接口/06主板概述主板（mainboard）是微型機最基本的也是最重要的部件之一，是其他部件組裝和工作的基礎(chǔ)。

主板的主要功能有兩個：一是提供插接CPU、內(nèi)存條和各種功能卡的插槽，部分主板甚至將一些功能卡（如顯卡和聲卡等）集成在主板上；二是為各種常用外部設(shè)備，如鍵盤、鼠標、顯示器、打印機、掃描儀、硬盤和U盤等提供與CPU連接的通用接口。主板的性能影響著整個微型機系統(tǒng)的性能。主板由芯片、擴展槽和對外接口三個主要部分組成。主板概述主板圖CPU插座PCIEX16插槽

（用于獨立顯卡）PCIEX1插槽CPU供電插座內(nèi)存插槽主板供電插座M.2硬盤插口

（位于散熱片下）SATA硬盤接口CPU散熱風扇供電插座芯片部分芯片組芯片組是主板的核心，由北橋芯片和南橋芯片組成。北橋芯片主要負責CPU與內(nèi)存、顯卡等高速部件之間的數(shù)據(jù)傳輸。隨著設(shè)計的不斷改進和集成電路集成度的不斷提高，北橋芯片的功能逐步被移入CPU內(nèi)部，目前有的主板已經(jīng)沒有北橋芯片了。南橋芯片主要負責CPU與硬盤、U盤、集成網(wǎng)卡等低速設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。芯片組中的芯片焊接在主板上，不像CPU和內(nèi)存條等通過插槽可進行簡單的升級替換。芯片部分RAID控制芯片：支持多個硬盤組成各種RAID（獨立冗余磁盤陣列）模式，把多臺小容量的硬盤組合成一臺大容量的硬盤，具有數(shù)據(jù)保護和提高數(shù)據(jù)傳輸速度的功能。BIOS芯片：其中保存著計算機系統(tǒng)中的基本輸入輸出程序、系統(tǒng)設(shè)置信息、自檢程序和系統(tǒng)啟動自舉程序等?，F(xiàn)在主板的BIOS還具有電源管理、CPU參數(shù)調(diào)整、系統(tǒng)監(jiān)控和計算機病毒防護等功能。CMOS芯片：用來存放BIOS中一些可由用戶設(shè)定和修改的參數(shù)，如計算機是從硬盤啟動還是從光盤啟動、芯片組工作特性、能源管理參數(shù)、管理員密碼等。開機時，CMOS由系統(tǒng)電源供電，關(guān)機時靠主板上的電池供電。擴展槽部分CPU插座CPU芯片通過CPU插座連接到主板上，不同類型的CPU需要有與之對應(yīng)的CPU插座。目前常見CPU的接口是針腳式或觸點式接口。內(nèi)存插槽通過該插槽可以更換或增加內(nèi)存條，以擴充內(nèi)存容量，但要注意內(nèi)存條與插槽的匹配以及新內(nèi)存條與原有內(nèi)存條的匹配?？偩€擴展槽通過總線擴展插槽可以插接多種標準板卡，如顯卡、視頻采集卡、聲卡和網(wǎng)卡等。目前的主板上主要有PCI擴展槽和PCI-E擴展槽，插接進擴展槽的板卡實現(xiàn)了與CPU的連接，成為計算機系統(tǒng)的組成部分。對外接口部分接口主要用于外設(shè)和主機的連接，主機和外設(shè)是不能直接通過總線連接的，因為外設(shè)都是些機電、磁性或光學設(shè)備等，而構(gòu)成主機的CPU和內(nèi)存是電子設(shè)備（數(shù)字電路）。與CPU和內(nèi)存相比，外設(shè)的工作速度要慢得多、處理的信號格式也可能不同，因此需要有某種機制來緩解這種差異，外設(shè)是通過一種被稱為接口的部件連接到總線的。接口一般由兩部分組成：硬件電路和相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序。例如，要把一臺打印機連接到計算機上打印文檔，一是要把打印機的數(shù)據(jù)線插接到計算機的相應(yīng)接口（可以是USB接口），二是運行與打印機品牌、型號對應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序，之后打印機才能正常工作。對外接口部分主要接口SATA接口：用于插接機械硬盤和固態(tài)硬盤。音頻接口：分為SPEAKER、MIC、LINEIN/OUT等不同類型，分別用于連接音箱/耳機、麥克風、線路輸入輸出設(shè)備，進行聲音的播放與錄制。USB接口：USB接口具有傳輸速度快、使用方便、支持熱插拔和連接靈活等優(yōu)點，可以連接鼠標、鍵盤、打印機、掃描儀、U盤、手機等幾乎所有的外部設(shè)備。是目前使用最多的一種接口。M.2接口：是一種新型接口，可以兼容SATA、PCI-E、USB等多種協(xié)議，目前常見的接入設(shè)備是固態(tài)硬盤和無線網(wǎng)卡?？偩€數(shù)據(jù)總線；地址總線；控制總線/07總線所謂總線，是指將數(shù)據(jù)從一個或多個源部件傳送到一個或多個目的部件的一組傳輸線，是計算機中傳輸數(shù)據(jù)的公共通道。采用總線結(jié)構(gòu)便于部件和設(shè)備的擴充，使用統(tǒng)一的總線標準，不同設(shè)備間的互連更容易實現(xiàn)。總線一般有內(nèi)部總線、系統(tǒng)總線和外部總線之分：內(nèi)部總線指芯片內(nèi)部連接各元件的總線，如CPU芯片內(nèi)部連接運算器和控制器的總線。系統(tǒng)總線指連接CPU、內(nèi)存和各種輸入輸出接口的總線。外部總線則是指外設(shè)接口和外部設(shè)備之間的連接總線?？偩€系統(tǒng)總線就是主板上的板級總線數(shù)據(jù)總線：用于CPU與內(nèi)存、CPU與外設(shè)接口之間傳輸數(shù)據(jù)。目前，微型計算機中常用的數(shù)據(jù)總線有PCI總線和PCI-E總線。地址總線：從內(nèi)存單元或外設(shè)端口中寫數(shù)據(jù)，首先要知道內(nèi)存單元或外設(shè)端口的地址，地址總線就是用來傳送這些地址信息的?？刂瓶偩€：用于傳輸控制信息，進而控制對內(nèi)存和外部設(shè)備的訪問。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展CISC與RISC；流水線技術(shù)；并行處理技術(shù)/08CISC與RISCCISC

CISC是指復雜指令集計算機，CISC結(jié)構(gòu)的CPU主要用在服務(wù)器、臺式機和筆記本上。設(shè)計CPU時都要首先為其設(shè)計一組實現(xiàn)多種功能的機器語言指令，稱為指令集。指令集中指令越多，編寫機器語言程序就越容易，解決實際問題的能力就越強。CISC的指令集中有大量的指令，包括一些實現(xiàn)復雜任務(wù)的指令（如求開方值的指令），每一項簡單或復雜的任務(wù)都有一條對應(yīng)的指令。在CISC結(jié)構(gòu)的計算機上編寫程序比較容易。但復雜的指令集使得CPU的電路設(shè)計也非常復雜，因為每一條指令都需要設(shè)計相應(yīng)的硬件電路。CISC與RISCRISC

RISC是指精簡指令集計算機，RISC結(jié)構(gòu)的CPU主要用于智能手機和平板電腦中。RISC體系結(jié)構(gòu)的要點就是簡化指令集，指令集中只保留最常用的那些實現(xiàn)基本操作的簡單指令，這樣就能簡化CPU的電路設(shè)計。在RISC結(jié)構(gòu)的計算機上，簡單功能直接由指令集中的指令實現(xiàn)，復雜的功能則由多條簡單指令組合成微程序?qū)崿F(xiàn)。由于RISC結(jié)構(gòu)CPU的每條指令的執(zhí)行時間相同，指令的執(zhí)行便于組織成流水線方式，CPU具有較快的處理速度，而且功耗低。流水線技術(shù)計算機執(zhí)行一條指令一般包括三個步驟：取指令、分析指令和執(zhí)行指令。在早期的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，多以串行方式執(zhí)行指令，即完成一條指令的“取指令、分析指令和執(zhí)行指令”，再進行下一條指令的“取指令、分析指令和執(zhí)行指令”。如果每條指令的執(zhí)行需要時間T，則執(zhí)行n條指令就需要n×T的時間。由于取指令、分析指令和執(zhí)行指令分別由CPU中的不同部件（電路模塊）完成，在一條指令的執(zhí)行期間，雖然CPU作為整體沒有閑著，但其中的部件（如取指令部件）是時而工作時而空閑的，所以執(zhí)行效率并不高。流水線技術(shù)流水線技術(shù)的設(shè)計靈感來自現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)流水線，即把計算機中各個功能部件要完成的操作分解成若干個“操作步驟”來處理。一條指令分成取指令、分析指令和執(zhí)行指令3個串行執(zhí)行的步驟。如果把一條指令的各個步驟與后一條指令的各個步驟安排成流水線方式，每一個部件完成當前指令的任務(wù)后，不會等待，而是立即進入下一條指令的處理過程。原本每條指令需要3t的時間完成從取指令到分析指令、執(zhí)行指令的過程，采用流水線后，3條指令的執(zhí)行只需要5t的時間即可完成。并行處理技術(shù)多核計算機多核計算機所用處理器為多核處理器，多核處理器指在一個CPU芯片內(nèi)包含多個內(nèi)核。計算機運行時，CPU內(nèi)的多個內(nèi)核可同時完成計算等工作，提高了計算和其他處理工作的速度。2023年1月英特爾公司推出了第13代酷睿處理器—酷睿i9-13980HX，這款CPU擁有24個內(nèi)核，包括8個性能核和16個能效核。

并行處理技術(shù)多處理器計算機多處理器計算機指包含多個處理器的計算機系統(tǒng)，也稱為并行計算機。多處理器計算機運行時，多個處理器可同時工作，分別承擔某項處理任務(wù)的一部分，可有效提升計算機系統(tǒng)的性能。多處理器計算機可分為并行向量計算機、大規(guī)模并行處理機、對稱式共享存儲器多處理機、分布式共享存儲多處理機等。

并行處理技術(shù)多處理器計算機—并行向量計算機向量是一種常見的數(shù)據(jù)形式，一個向量可以包含很多個元素，特別適合并行處理和流水線處理（同時處理不同分量數(shù)據(jù)）。并行向量計算機（PVP）簡稱向量機，其中的處理器設(shè)計有專門的向量表示和向量處理指令，而且一臺向量機可以包含多個向量處理器。美國Cray公司推出的多個機型、NEC公司的SX-X44、我國國防科技大學研制成功的“銀河I”“銀河II”都是向量機。1991年公布推出的CrayC-90向量機由16個處理器構(gòu)成，每個處理器設(shè)置有2條向量流水線，峰值運算速度達到160億次浮點運算/秒。向量計算機在20世紀80～90年代是超級計算機的主流機型。

并行處理技術(shù)多處理器計算機—大規(guī)模并行處理機從20世紀90年代開始，大規(guī)模并行處理機（MPP）逐漸顯示出代替和超越向量機的趨勢。MPP的特點包括：處理節(jié)點使用商用微處理器，每個節(jié)點可包括多個微處理器；可擴展性好，可擴展到成百上千個微處理器；采用分布式非共享的存儲器，各節(jié)點有自己的地址空間；采用專門設(shè)計和定制的高性能互連網(wǎng)絡(luò)連接各節(jié)點，采用消息傳遞的通信機制。IBM公司的IBMSP2、英特爾公司的ASCIRed、我國的“曙光1000”等都是MPP計算機。其中，1996年推出的ASCIRed在超級計算機發(fā)展史上首次突破萬億次/秒的運算速度。2000年前后，MPP是超級計算機的主流機型。

并行處理技術(shù)多處理器計算機—對稱式共享存儲器多處理機對稱式共享存儲器多處理機（SMP）包含的處理器個數(shù)較少（一般不超過幾十個），多個處理器通過系統(tǒng)總線或交叉開關(guān)共享單一的集中式存儲器。IBMR50、SGIPowerChallenge、我國的“曙光一號”等都是SMP計算機。其中，SGIPowerChallenge配備8個處理器，峰值運算速度達到28.8億次浮點運算/秒。

并行處理技術(shù)多處理器計算機—分布式共享存儲多處理機分布式共享存儲多處理機（DSM）可以構(gòu)建規(guī)模較大的多處理機系統(tǒng)。由于處理器較多，只能采取為各處理器分別配置存儲器的方式，不能采用集中式存儲器方式，否則處理器訪問存儲器的速度將會影響整個計算機系統(tǒng)的性能。越來越多的中小規(guī)模的多處理機系統(tǒng)采用這種分布式存儲器結(jié)構(gòu)。斯坦福大學的DASH、SGI-Cray的Origin2000等是DSM的代表機型。

并行處理技術(shù)機群系統(tǒng)機群系統(tǒng)是由多個同構(gòu)或異構(gòu)的獨立計算機通過高性能網(wǎng)絡(luò)連接在一起的高性能并行計算機系統(tǒng)。構(gòu)成機群的每臺計算機都有自己的存儲器、輸入輸出設(shè)備和操作系統(tǒng)，它們在機群操作系統(tǒng)的控制下協(xié)同完成特定的并行計算任務(wù)。機群雖然由多臺計算機構(gòu)成，但對用戶和應(yīng)用來說是一個單一的系統(tǒng)，它可以提供低價高效的高性能環(huán)境和快速可靠的服務(wù)。1997年6月，國際500強超級計算機排行榜中只有一臺機群計算機。到2004年6月，排行榜中的機群計算機已超過50%，達到298臺；到2013年6月，更是達到417臺，占比83.4%。機群系統(tǒng)已成為近些年構(gòu)建超級計算機的主要結(jié)構(gòu)。

硬件知識小結(jié)

組成計算機硬件子系統(tǒng)的各部件產(chǎn)品都有不同的品牌、檔次和型號，而且其制造技術(shù)也是在不斷發(fā)展和變化的。所以，以上只是對計算機硬件基本構(gòu)成的概括性介紹，要想了解某個部件（設(shè)備）的詳情和最新技術(shù)變化，還需查閱相關(guān)書籍或網(wǎng)站。如果直接購買品牌臺式機或筆記本電腦時，根據(jù)自己的需要，只要在品牌、主要性能指標（CPU型號、內(nèi)存容量、硬盤/固態(tài)硬盤容量等）和價格之間做出一個綜合比較就可以決定購買哪一款了。

如果是組裝臺式計算機，就要認真選擇主板、CPU、內(nèi)存條、硬盤/固態(tài)硬盤、顯示器、電源和機箱等，如果需要還要選擇打印機、掃描儀等。不僅要考慮各部件的性能、型號，還要注意各部件在性能、型號和接口上的匹配。本章結(jié)束計算機導論袁方編著清華大學出版社出版《計算機導論（第5版）》配套課件計算機導論第5章操作系統(tǒng)知識目錄CONTENTS03操作系統(tǒng)的功能01操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展02操作系統(tǒng)的特征0405操作系統(tǒng)的啟動過程操作系統(tǒng)實例操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展操作系統(tǒng)概念；操作系統(tǒng)的形成；操作系統(tǒng)的發(fā)展/01操作系統(tǒng)概念操作系統(tǒng)是一個系統(tǒng)軟件控制和管理計算機系統(tǒng)的各種硬件和軟件資源。合理有效地組織計算機系統(tǒng)的工作流程，使整個計算機系統(tǒng)高效運行。為用戶提供一個方便操作使用計算機的友好界面。操作系統(tǒng)概念操作系統(tǒng)的主要特性（從用戶視角看）有效性：在未配置操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)中，CPU等資源會經(jīng)常處于空閑狀態(tài)而得不到充分利用，存儲器中存放的數(shù)據(jù)由于無序而浪費了存儲空間；配置了高性能操作系統(tǒng)后，可使CPU等部件由于減少等待時間而得到有效的利用，使存儲器中存放的數(shù)據(jù)有序而節(jié)省存儲空間。方便性：沒有操作系統(tǒng)，就只能通過控制臺輸入控制命令，以這種方式操作使用計算機是讓人非常頭疼的一件事情，只適用于專業(yè)人員；有了操作系統(tǒng)，特別是有了功能強大、界面友好的操作系統(tǒng)，使操作使用計算機的變得非常容易和方便。操作系統(tǒng)的形成人工操作用穿孔機將編寫好的程序及相應(yīng)的數(shù)據(jù)穿孔在紙帶/卡片上，通過紙帶/卡片機輸入計算機。啟動計算機執(zhí)行程序，通過控制臺上的開關(guān)、按鈕和指示燈來操作和控制程序的執(zhí)行。程序執(zhí)行完并取走計算結(jié)果后，下一個用戶才能使用該計算機。高速的CPU絕大部分時間處于等待慢速的手工操作和外設(shè)運行，計算機資源得不到有效利用。操作系統(tǒng)的形成批處理操作系統(tǒng)單道批處理系統(tǒng)把一批作業(yè)放入外存,但一次只調(diào)用一道作業(yè)進入內(nèi)存運行。作業(yè)是指用戶在一次數(shù)據(jù)處理中要求計算機所做的全部工作的總和，由用戶程序、數(shù)據(jù)和作業(yè)說明書組成。多道批處理系統(tǒng)從外存中把多道作業(yè)同時調(diào)入內(nèi)存。內(nèi)存中的多個作業(yè)可以交替執(zhí)行，但不能進行人機交互。操作系統(tǒng)的形成分時操作系統(tǒng)把CPU的時間分成微小的時間片，按時間片輪流為多個終端服務(wù)。具有人機對話功能。實時操作系統(tǒng)實時控制系統(tǒng)/硬實時任務(wù)；實時信息系統(tǒng)/軟實時任務(wù)。通用操作系統(tǒng)同時具備實時/分時/批處理功能，按優(yōu)先級分類處理。UNIX的早期版本是當時通用操作系統(tǒng)的代表。操作系統(tǒng)的發(fā)展微機操作系統(tǒng)單用戶單任務(wù)：只允許一個用戶使用計算機，且只允許該用戶運行一個程序，如CP/M、MS-DOS。單用戶多任務(wù)：只允許一個用戶使用計算機，但允許該用戶運行多個程序，如Windows10。多用戶多任務(wù)：允許多個用戶使用計算機，且每個用戶可以分別執(zhí)行多個程序，如UNIX和Linux。操作系統(tǒng)的發(fā)展多處理器操作系統(tǒng)非對稱模式，又稱為主從模式。在非對稱模式中，把處理器分為主處理器和從處理器兩類。主處理器只有一個，其上安裝有操作系統(tǒng)，用于管理整個系統(tǒng)的資源，并負責為各從處理器分配任務(wù)及協(xié)調(diào)從處理器的運行。從處理器可有多個，它們執(zhí)行預先規(guī)定的任務(wù)及由主處理器所分配的任務(wù)。主從式操作系統(tǒng)易于實現(xiàn)，但資源利用率比較低。對稱模式。在對稱模式中，所有處理器的地位都是相同的。在每個處理器上運行一個相同的備份操作系統(tǒng)，用它來管理本地資源和控制進程的運行以及各處理器之間的通信。對稱模式操作系統(tǒng)資源利用率和整體性能比較高，但實現(xiàn)起來比較復雜。操作系統(tǒng)的發(fā)展網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的功能：網(wǎng)絡(luò)通信、資源管理、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)管理。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)實例：WindowsNT,WindowsServer，網(wǎng)絡(luò)版的UNIX和Linux。分布式操作系統(tǒng)多個分散的處理單元經(jīng)網(wǎng)絡(luò)互連形成分布式系統(tǒng)，每個單元包括處理器和局部存儲器。分布式操作系統(tǒng)把分布式系統(tǒng)虛擬成一臺獨立的計算機。操作系統(tǒng)的發(fā)展嵌入式操作系統(tǒng)嵌入到其他設(shè)備中并控制被嵌入設(shè)備運行的計算機稱為嵌入式計算機。運行在嵌入式計算機中的操作系統(tǒng)稱為嵌入式操作系統(tǒng)，VxWorks、銀河麒麟嵌入式操作系統(tǒng)等是常用的嵌入式操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)的特征并發(fā)性；共享性；虛擬性；異步性/02操作系統(tǒng)的特征并發(fā)性并發(fā)是指兩個或多個事件在同一時間段內(nèi)發(fā)生，而并行指兩個或多個事件在同一時刻發(fā)生。在多處理機系統(tǒng)中，可以有多個進程并行執(zhí)行，一個處理機執(zhí)行一個進程。在單處理機系統(tǒng)中，多個進程可以并發(fā)執(zhí)行，但不能并行執(zhí)行，即多個并發(fā)執(zhí)行的進程交替地使用一個處理機，操作系統(tǒng)負責處理機在這些進程之間的切換。進程是調(diào)入內(nèi)存正在運行或準備運行的程序。操作系統(tǒng)的特征并發(fā)性并發(fā)性改變了在一段時間內(nèi)一個進程對CPU的獨占，可以讓多個進程交替地使用CPU，從而有效提高CPU的利用率，提高計算機系統(tǒng)的處理能力，但也使系統(tǒng)管理變得復雜，操作系統(tǒng)要具備控制和管理各種并發(fā)活動的能力。在一臺單處理機的微型機上，一邊聽音樂、一邊編輯文檔，還同時運行著一個訓練分類模型的程序，這就是并發(fā)執(zhí)行。操作系統(tǒng)的特征共享性共享是指系統(tǒng)中的資源可供多個并發(fā)執(zhí)行的進程共同使用。共享可以提高系統(tǒng)資源的利用率。并發(fā)性和共享性是操作系統(tǒng)的兩個互為存在條件的基本特征。資源共享是以進程的并發(fā)執(zhí)行為條件的，若系統(tǒng)不允許進程并發(fā)執(zhí)行，也就不存在資源共享問題。若操作系統(tǒng)不能對資源共享進行有效管理，則會影響進程正確地并發(fā)執(zhí)行，甚至無法并發(fā)執(zhí)行。操作系統(tǒng)的特征虛擬性虛擬是指通過某種技術(shù)把一個物理實體變成若干個邏輯上的對應(yīng)物。物理實體是實際存在的，對應(yīng)物是虛的，是用戶感覺到的。在分時系統(tǒng)中，利用分時技術(shù)可以把物理上的一個CPU虛擬為邏輯上的多個CPU，邏輯上的CPU稱為虛擬處理機。在操作系統(tǒng)中，虛擬性主要是通過分時使用的方式實現(xiàn)的。操作系統(tǒng)的特征異步性在多道程序環(huán)境下，允許多個進程并發(fā)執(zhí)行，但由于資源及控制方式等因素的限制，進程的執(zhí)行并非一次性地連續(xù)執(zhí)行完，通常是以“斷斷續(xù)續(xù)”的方式進行。內(nèi)存中的每個進程在何時執(zhí)行，何時暫停，以怎樣的速度向前推進，每個進程總共需要多長時間才能完成，都是不可預知的。先進入內(nèi)存的進程不一定先完成，而后進入內(nèi)存的進程也不一定是后完成，即進程是以異步方式運行的。操作系統(tǒng)要嚴格保證，只要運行環(huán)境相同，多次運行同一進程，都應(yīng)獲得完全相同的結(jié)果。操作系統(tǒng)的功能處理器管理；存儲器管理；設(shè)備管理；文件管理；網(wǎng)絡(luò)與通信管理；用戶接口/03處理器管理功能進程需要獲得處理器（CPU）的使用權(quán)才能運行。在多道程序系統(tǒng)中，往往同時有多個進程需要處理器。所以處理器管理的主要任務(wù)是對處理器進行分配，并對其運行進行有效控制和管理，最大限度地提高處理機的利用率。在一個允許多道程序同時執(zhí)行的單處理器系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)會根據(jù)一定的策略將處理器交替地分配給系統(tǒng)內(nèi)等待運行的進程，等待運行的進程只有在獲得了處理器的使用權(quán)后才能運行。處理器管理功能在多道程序環(huán)境下，處理器的分配和運行都是以進程為基本單位的。進程就是調(diào)入內(nèi)存正在運行或準備運行的程序。當一個程序需要運行時，操作系統(tǒng)將其調(diào)入內(nèi)存，為其創(chuàng)建進程，并加入進程隊列，等待運行；當進程被調(diào)度運行時，操作系統(tǒng)為其分配處理器；一旦為進程分配的處理器時間用完或某個外部事件發(fā)生，進程需要釋放處理器，等待下一次調(diào)度；當進程執(zhí)行結(jié)束后，操作系統(tǒng)釋放其所占用處理器等資源，并撤銷該進程。處理器管理功能在Windows操作系統(tǒng)中，可以在任務(wù)管理器中查看進程運行狀態(tài)等信息。存儲器管理功能存儲器管理的主要任務(wù)是提高存儲器的使用效率，使程序更好的得以執(zhí)行，并能從邏輯上對內(nèi)存進行擴充。存儲器管理是指內(nèi)存管理，它負責把內(nèi)存單元分配給有需要的程序以便讓它執(zhí)行，在程序執(zhí)行結(jié)束后再將其占用的內(nèi)存單元收回以便給其他程序使用。存儲器管理的具體功能包括內(nèi)存分配、內(nèi)存保護、地址映射和內(nèi)存擴充等。存儲器管理功能內(nèi)存分配內(nèi)存分配的主要任務(wù)是為每道程序分配各自所需的內(nèi)存空間，使其得以運行，提高存儲器的利用率。操作系統(tǒng)需要記錄內(nèi)存的使用情況，處理用戶或程序提出的內(nèi)存申請，按照某種策略分配內(nèi)存，并在程序結(jié)束運行后及時回收其所占用內(nèi)存。內(nèi)存保護內(nèi)存保護的主要任務(wù)是確保每道程序都在分配給自己的內(nèi)存空間中運行，互不干擾，也不會侵占操作系統(tǒng)所占用內(nèi)存空間。為實現(xiàn)內(nèi)存保護，需要建立內(nèi)存保護機制。當程序執(zhí)行時，系統(tǒng)對程序指令所訪問的地址進行越界檢查，如果越界，則停止此程序的執(zhí)行。存儲器管理功能地址映射當用高級語言編寫程序時，源程序經(jīng)過編譯后，目標程序的地址都是邏輯地址（距離程序開始位置的相對地址），而不是真正的內(nèi)存地址。當程序需要裝入內(nèi)存時，操作系統(tǒng)要將邏輯地址轉(zhuǎn)換為內(nèi)存地址（物理地址）。這種將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址的過程稱為地址映射。內(nèi)存擴充由于物理內(nèi)存的擴充受到主板內(nèi)存容量、內(nèi)存插槽數(shù)量等因素的限制，因此常采用邏輯上擴充內(nèi)存的方式，即虛擬內(nèi)存技術(shù)。虛擬內(nèi)存技術(shù)是將一部分外存當內(nèi)存使用，使外存空間成為內(nèi)存空間的延伸。在不增加物理內(nèi)存的情況下，保證較大規(guī)模程序的執(zhí)行。存儲器管理功能在Windows操作系統(tǒng)中，對于虛擬內(nèi)存的管理可以在高級系統(tǒng)設(shè)置對話框中進行。設(shè)備管理功能設(shè)備管理主要是分配和回收外部設(shè)備以及控制外部設(shè)備按用戶程序的要求工作，以提高CPU和外部設(shè)備的利用率。對于打印機、顯示器等非存儲型外部設(shè)備，它們可以直接作為一個設(shè)備分配給一個用戶程序，在使用完畢后回收以便給另一個有需求的用戶程序使用。對于磁盤、U盤等存儲型外部設(shè)備，則是提供存儲空間給用戶，用來存儲程序文件和數(shù)據(jù)文件。存儲型外部設(shè)備的管理與文件管理相互配合，共同完成相關(guān)的設(shè)備管理和文件管理功能。設(shè)備管理功能主要包括緩沖區(qū)管理、設(shè)備分配、設(shè)備驅(qū)動和設(shè)備獨立性等。文件管理功能

文件（file）是存放在計算機外存上的相關(guān)數(shù)據(jù)的集合。操作系統(tǒng)要具備文件管理功能，對存放在外存上的大量文件（程序也是一種文件）進行有效的管理，以方便用戶操作使用這些文件，并保證文件內(nèi)容的安全。文件管理應(yīng)具有文件存儲空間管理、目錄管理、文件的讀寫管理以及文件的安全保護等功能。文件管理功能文件命名同一外存上可能有很多文件，為了便于對文件的識別和管理，要給每個文件規(guī)定一個唯一的文件名。一個規(guī)范的文件名包括主文件名和擴展名兩部分，格式如下：<主文件名>[.擴展名］

一個文件可以有擴展名，也可以沒有擴展名，但必須要有主文件名，如果有擴展名，要用點（.）與主文件名分開。主文件名代表文件的特點，由用戶根據(jù)文件內(nèi)容命名；擴展名代表文件屬于哪一類，一般使用相關(guān)軟件規(guī)定好的默認擴展名即可。文件管理功能常用文件擴展名文件管理功能按層次組織文件外存的容量一般是比較大的，可以存放成千上萬個文件，這么多的文件如果沒有一個好的組織結(jié)構(gòu)，會導致文件管理效率低下，如在上萬個Word文檔中找出“2023年工作計劃”文件并不是一件很容易的事情。如果記得住文件名，還可以用文件搜索的方式；如果連文件名都沒有記住，就是一件很困難的事情了。按層次組織文件，會大大提高文件管理效率，特別是文件查找效率。文件管理功能按層次組織文件示例文件管理功能文件存儲空間管理建立一個新的文件時，系統(tǒng)要為其分配相應(yīng)的存儲空間；刪除一個文件時，系統(tǒng)要及時收回其所占用的空間。為了實現(xiàn)對文件存儲空間的管理，系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于記錄存儲空間的使用情況，作為為新建文件分配存儲空間的依據(jù)。為了提高存儲空間的利用率和空間分配效率，對存儲空間的分配通常是采用非連續(xù)分配方式，并以塊為基本分配單位，塊的大小通常為512B～4KB甚至更大。一個文件的內(nèi)容可能存放在多段物理存儲區(qū)域中，系統(tǒng)要有一種良好的機制把它們從邏輯上連接起來。文件管理功能文件目錄管理一個文件夾對應(yīng)外存中的一塊存儲區(qū)域，文件夾中的文件內(nèi)容就存放在這塊區(qū)域中，這塊存儲區(qū)域分成兩個部分：目錄區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)。目錄區(qū)用于存放文件的目錄項，每個文件有一個目錄項，包含文件名、文件屬性、文件大小、建立或修改日期、文件在外存上的開始位置等信息。數(shù)據(jù)區(qū)用于存放文件的實際內(nèi)容。目錄管理的主要任務(wù)是為每個文件建立目錄項，并對由目錄項組成的目錄區(qū)進行管理，能有效提高文件操作效率。文件管理功能文件的讀寫管理文件的讀寫管理就是根據(jù)用戶的請求，從文件中讀出數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)寫入文件。文件讀寫也稱為文件存取。在進行文件讀寫時，首先根據(jù)文件名去查看文件目錄區(qū)，找到文件在外存中的開始位置；然后對文件進行相應(yīng)的讀寫操作。文件的安全保護提供安全保護機制，防止文件內(nèi)容被非法讀取和篡改，保證文件的安全。文件系統(tǒng)需要提供一般采取多級安全控制措施，一是系統(tǒng)級控制，設(shè)置賬號和密碼；二是用戶級控制，設(shè)置文件存取權(quán)限；三是文件級控制，設(shè)置文件屬性（如只讀）、密碼保護、文件加密等措施。文件管理功能

文件管理功能由操作系統(tǒng)中的文件系統(tǒng)提供，Windows文件系統(tǒng)主要有文件分配表（FAT）、新技術(shù)文件系統(tǒng)（NTFS)和復原文件系統(tǒng)(REFS)三種格式。

NTFS兼顧了磁盤空間的使用和訪問效率，單個文件大小可以超過4GB，硬盤分區(qū)可達到2TB，在文件和文件夾權(quán)限設(shè)置、文件加密、設(shè)置磁盤配額和文件壓縮等方面具有更好的性能。

從Windows10開始，微軟推出了REFS文件系統(tǒng)，相對于NTFS文件系統(tǒng)，REFS文件格式具有更高的可靠性和更好的數(shù)據(jù)恢復性。

為解決FAT32不支持4GB以上文件的限制，引入擴展FAT文件系統(tǒng)（exFAT），exFAT只適用于閃存等移動存儲設(shè)備。在使用Windows10/11操作系統(tǒng)時，硬盤的默認文件格式是NTFS（可以改為REFS格式），U盤的默認格式是FAT32（可以改為exFAT格式）。網(wǎng)絡(luò)通信管理功能隨著計算機網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展與普及，操作系統(tǒng)要具備網(wǎng)絡(luò)與通信管理功能，以保證網(wǎng)絡(luò)功能的正常、高效實現(xiàn)，主要包括資源管理、通信管理和網(wǎng)絡(luò)管理等。資源管理要保證網(wǎng)絡(luò)資源的共享，管理用戶對資源的訪問，保證信息資源的安全性和完整性；通信管理就是通過通信軟件，按照通信協(xié)議的規(guī)定，完成網(wǎng)絡(luò)上計算機之間的信息傳送；網(wǎng)絡(luò)管理就是保證網(wǎng)絡(luò)的安全、高效運行，并對出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)故障有合適的應(yīng)對技術(shù)，包括故障管理、安全管理、性能管理、日志管理和配置管理等。用戶接口命令接口用戶可通過命令接口向計算機發(fā)出命令以實現(xiàn)相應(yīng)的功能。聯(lián)機用戶接口：由一組鍵盤操作命令及對應(yīng)的命令解釋程序所組成。當用戶在終端（鍵盤）或控制臺上輸入一條命令后，系統(tǒng)便立即轉(zhuǎn)入命令解釋程序，對該命令進行解釋并執(zhí)行該命令。脫機用戶接口：該接口是為批處理作業(yè)的用戶提供的，也稱為批處理用戶接口。它由一組作業(yè)控制語言組成。批處理作業(yè)的用戶不能直接與自己的作業(yè)交互作用，只能委托系統(tǒng)代替用戶對作業(yè)進行控制和干預。早期使用的批處理操作系統(tǒng)提供脫機用戶接口。用戶接口程序接口程序接口是為用戶程序訪問系統(tǒng)資源而設(shè)置的，是用戶程序取得操作系統(tǒng)服務(wù)的唯一途徑。現(xiàn)在的操作系統(tǒng)都提供程序接口，如Windows操作系統(tǒng)是以應(yīng)用程序編程接口（API）的方式提供程序接口，WINAPI提供了大量的具有各種功能的函數(shù)，直接調(diào)用這些函數(shù)就能編寫出各種界面友好、功能強大的應(yīng)用程序。例如，用Python語言編寫程序時，通過第三方庫pywin32可以調(diào)用WINAPI函數(shù)，實現(xiàn)相應(yīng)功能。用戶接口圖形接口圖形用戶接口（GUI）采用了圖形化的操作界面，用非常容易識別的各種圖標將系統(tǒng)的各項功能、各種應(yīng)用程序和文件直觀、逼真地表示出來。通過鼠標、菜單和對話框來完成對各種應(yīng)用程序和文件的操作。此時用戶已完全不必像使用命令接口那樣去記住命令名及格式，輕點鼠標就能實現(xiàn)很多功能。用戶被從繁瑣且單調(diào)的操作中解放出來，能夠為更多的非專業(yè)人員使用。Windows等操作系統(tǒng)因提供簡潔方便的圖形接口而得到廣泛應(yīng)用。操作系統(tǒng)的啟動過程BIOS模式啟動；UEFI模式啟動/04BIOS模式啟動過程按下計算機電源開關(guān)，可在屏幕顯示“按DEL鍵進入SETUP界面”時按下DEL鍵（有的是F2鍵）進行CMOS設(shè)置。CMOS設(shè)置可更改日期和時間、CPU和內(nèi)存頻率、風扇轉(zhuǎn)速、BOOT啟動順序等內(nèi)容。計算機的啟動首先是從執(zhí)行BIOS自檢程序開始的。BIOS存儲在ROM中，ROM中主要存儲的是自檢程序和引導程序。自檢順序為：先進行CPU、內(nèi)存等關(guān)鍵部件的診斷測試，接著識別并檢查顯卡、硬盤等外部設(shè)備。BIOS模式啟動過程自檢通過后，BIOS引導程序開始執(zhí)行，尋找硬盤上的主引導記錄MBR。MBR開始讀取硬盤分區(qū)表，并找到活動分區(qū)中的分區(qū)引導記錄PBR，然后把控制權(quán)交給PBR。PBR搜索活動分區(qū)中的啟動管理器BOOTMGR，并將控制權(quán)交給BOOTMGR。BOOTMGR尋找活動分區(qū)中boot文件夾下的BCD文件（啟動配置數(shù)據(jù)）。找到BCD后，BOOTMGR首先從BCD中讀取BOOTMGR菜單的語言版本信息，然后再調(diào)用相應(yīng)語言的啟動菜單，之后顯示多操作系統(tǒng)選擇界面。如果只有Windows10操作系統(tǒng)，那么將直接進入Windows10系統(tǒng)。BIOS模式啟動過程BOOTMGR讀取Windows10系統(tǒng)所在盤中的Windows\System32\winload.exe文件，并且將控制權(quán)交給winload.exe。winload.exe加載Windows10內(nèi)核、硬件驅(qū)動、服務(wù)等，然后加載個人設(shè)置、桌面等信息，從而完成整個Windows10系統(tǒng)的啟動。UEFI引導方式啟動過程UEFI模式相對于BIOS啟動的一大特點在于其不必進行硬件自檢，直接查找EFI系統(tǒng)分區(qū)(ESP)。ESP中主要存儲UEFI模式下系統(tǒng)的啟動引導程序。BIOS啟動過程中分區(qū)表存于MBR扇區(qū)之中，在UEFI模式下，出于兼容BIOS模式的考慮，通常讓硬盤從第2個扇區(qū)開始存放GUID分區(qū)表（GPT)，第一個扇區(qū)仍存儲MBR。BIOS模式下啟動過程中需要查找主分區(qū)、尋找活動分區(qū)的分區(qū)引導記錄，在UEFI模式下，可直接在ESP分區(qū)中找到后續(xù)啟動過程所需要的文件，首先找到并執(zhí)行ESP分區(qū)下的EFI/Microsoft/Boot/bootmgfw.efi。UEFI引導方式啟動過程bootmgfw.efi會找到同一相對路徑下的BCD文件，與BIOS模式中相似，從BCD文件中讀取語言版本信息，然后調(diào)用相應(yīng)語言的啟動菜單，之后在顯示器上顯示多操作系統(tǒng)選擇畫面。待選擇系統(tǒng)進入后讀取\Windows\System32文件夾下的winload.efi，winload.efi加載Windows10內(nèi)核、硬件驅(qū)動、服務(wù)等，然后加載個人設(shè)置、桌面等信息，從而完