第2章 計算機(jī)系統(tǒng)

計算機(jī)系統(tǒng)第2章講課人：***目錄01現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)02計算機(jī)的硬件系統(tǒng)03計算機(jī)的軟件系統(tǒng)04操作系統(tǒng)05云計算知識導(dǎo)圖

本章節(jié)通過硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩方面去闡述計算機(jī)系統(tǒng)的組成，重點講解計算機(jī)的分類、硬件系統(tǒng)的組成、軟件系統(tǒng)的分類、操作系統(tǒng)的主要功能，軟硬件如何協(xié)同運行程序，以及未來計算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。本章內(nèi)容現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)第2章012.1現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)計算機(jī)性能不同，可以把計算機(jī)分為：巨型機(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)、微型機(jī)。根據(jù)計算機(jī)的綜合性能指標(biāo)，結(jié)合計算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的不同將其分為：高性能計算機(jī)、微型計算機(jī)、工作站、服務(wù)器、嵌入式計算機(jī)。高性能計算機(jī)

高性能計算機(jī)也就是俗稱的超級計算機(jī)，或者以前所說的巨型機(jī),此類計算機(jī)往往有突出的計算能力、存儲能力、數(shù)據(jù)處理(吞吐量)能力。目前國際上對高性能計算機(jī)的最為權(quán)威的評測是世界計算機(jī)排名500(即TOP500)，通過測評的計算機(jī)是目前世界上運算速度和處理能力均堪稱一流的計算機(jī)。TOP500超級計算機(jī)榜網(wǎng)址：/神威·太湖之光超級計算機(jī)運算能力：93.015PFlops/每秒運行9.3015億億條浮點運算指令。2.1.1計算機(jī)的分類2.1.1計算機(jī)的分類高性能計算機(jī)

高性能計算機(jī)也就是俗稱的超級計算機(jī)，或者以前所說的巨型機(jī),此類計算機(jī)往往有突出的計算能力、存儲能力、數(shù)據(jù)處理(吞吐量)能力。目前國際上對高性能計算機(jī)的最為權(quán)威的評測是世界計算機(jī)排名500(即TOP500)，通過測評的計算機(jī)是目前世界上運算速度和處理能力均堪稱一流的計算機(jī)。TOP500超級計算機(jī)榜網(wǎng)址：/神威·太湖之光超級計算機(jī)運算能力：93.015PFlops/每秒運行9.3015億億條浮點運算指令2.1.1計算機(jī)的分類2.1.1計算機(jī)的分類2.1.1計算機(jī)的分類

微型計算機(jī)

簡稱微機(jī)，又叫做個人電腦，英文縮寫PC(PersonalComputer)。目前微機(jī)已廣泛應(yīng)用于辦公、學(xué)習(xí)、娛樂等社會生活的方方面面，在我國經(jīng)過近30年的發(fā)展，現(xiàn)在已普及。我們?nèi)粘Ｊ褂玫呐_式計算機(jī)、筆記本計算機(jī)、掌上型計算機(jī)等都是微型計算機(jī)。現(xiàn)在的微機(jī)，計算性能已在10億條指令/秒以上。2.1.1計算機(jī)的分類工作站工作站是一種高檔的微型計算機(jī)，通常配有高分辨率的大屏幕顯示器以及容量很大的內(nèi)存儲器和外部存儲器，主要面向?qū)I(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運算與圖形、圖像處理能力。工作站主要是為滿足工程設(shè)計、動畫制作、科學(xué)研究、軟件開發(fā)、金融管理、信息服務(wù)、模擬仿真等專業(yè)領(lǐng)域而設(shè)計開發(fā)的高性能微型計算機(jī)。2.1.1計算機(jī)的分類

服務(wù)器

服務(wù)器是指在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下為網(wǎng)上多個用戶提供共享信息資源和各種服務(wù)的一種高性能計算機(jī)，在服務(wù)器上需要安裝網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)軟件以及數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)軟件等。服務(wù)器主要為網(wǎng)絡(luò)用戶提供文件、數(shù)據(jù)庫、Web應(yīng)用及通信方面的服務(wù)。2.1.1計算機(jī)的分類

嵌入式計算機(jī)

嵌人式計算機(jī)系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式的含義是說硬件實體往往需要嵌入到應(yīng)用對象內(nèi)部中，用于實現(xiàn)對其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。例如，我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫碾姳?、全自動洗衣機(jī)、空調(diào)、電飯煲、數(shù)碼產(chǎn)品、手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)路由器等都采用嵌入式計算機(jī)技術(shù)。2.1.2計算機(jī)系統(tǒng)的組成計算機(jī)的硬件資源

通常將一個計算機(jī)系統(tǒng)的計算能力、存儲容量、數(shù)據(jù)處理能力（數(shù)據(jù)吞吐量）和輸入輸出外設(shè)看作是該計算機(jī)的硬件資源。很明顯，這5種計算機(jī)系統(tǒng)中，硬件資源最豐富、性能最強(qiáng)的當(dāng)屬高性能計算機(jī)，而硬件資源和性能最弱的是嵌入式計算機(jī)。計算機(jī)的軟件資源

計算機(jī)的軟件資源，包括計算機(jī)系統(tǒng)上的各種程序、文檔、數(shù)據(jù)、服務(wù)等，因此，我們所說的計算機(jī)系統(tǒng)，往往包涵著硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)這兩個部分。硬件系統(tǒng)是計算機(jī)的物理實體，相當(dāng)于人的軀體，軟件系統(tǒng)是計算機(jī)上的程序、數(shù)據(jù)和文檔的集合，相當(dāng)于人的思想和靈魂。微機(jī)系統(tǒng)的組成2.1.2計算機(jī)系統(tǒng)的組成2.1.2計算機(jī)系統(tǒng)的組成計算機(jī)的硬件系統(tǒng)第2章02

馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)以CPU為中心，CPU的負(fù)擔(dān)很重，成為計算機(jī)速度提高的“瓶頸”；其次，CPU要頻繁訪問存儲器，而實際CPU的速度要高出存儲器幾個數(shù)量級，存在CPU與存儲器之間的“瓶頸”；同時，CPU執(zhí)行命令時是串行的，并且由控制器集中控制，因此造成指令的執(zhí)行效率低下。

對于這一問題，計算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計者提出計算機(jī)的總線結(jié)構(gòu)，即主機(jī)的各功能部件（CPU、內(nèi)存、I/O控制器）之間通過總線相連接。2.2計算機(jī)的硬件系統(tǒng)2.2.1CPU——解釋執(zhí)行指令的引擎

計算機(jī)如何理解和執(zhí)行程序呢？這需要理解中央處理器（CPU）的工作機(jī)制。

CPU包括運算器和控制器兩大部件。運算器有一個算術(shù)邏輯運算單元和若干臨時存儲數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)寄存器，算術(shù)邏輯運算部件的兩個輸入端和輸出端均與這些寄存器相連接，表示兩個操作數(shù)和運算結(jié)果都可以由這些寄存器來存儲。運算器的實現(xiàn)機(jī)理在第1章中已有介紹，本質(zhì)上即由基本門電路實現(xiàn)的多位加法器（可實現(xiàn)加減法），以及由加法器進(jìn)一步實現(xiàn)的各種復(fù)雜一些的算術(shù)邏輯運算，它們可被指令區(qū)分是做哪種運算。2.2.1CPU——解釋執(zhí)行指令的引擎

控制器中也有一些寄存器：用于存放當(dāng)前正在執(zhí)行指令的指令寄存器IR;用于存放下一條指令地址的程序計數(shù)器PC；存儲器中的內(nèi)容寄存器分別與運算器中的數(shù)據(jù)寄存器、控制器中的指令寄存器相連接，說明存儲器中的內(nèi)容既可送給（或來自）運算器，也可送給（或來自）控制器。那么究竟送給（或來自）誰呢？這需要控制?？刂破髦杏幸粋€信號發(fā)生器，專門產(chǎn)生控制信號以便控制各部件的正確運行：可以控制運算器中的數(shù)據(jù)寄存器接收來自存儲器的數(shù)據(jù)，可以控制指令寄存器接收來自存儲器的數(shù)據(jù)，可以控制運算器開始運算，可以控制存儲器開始讀或?qū)懝ぷ?，可以控制程序寄存器自動加一以指向下一條指令的地址等。產(chǎn)生的控制信號有時間沖突怎么辦？控制器中還有一個時鐘與節(jié)拍發(fā)生器，不同的信號在不同的時鐘節(jié)拍下發(fā)出，即通過時鐘與節(jié)拍控制，使控制信號有序地產(chǎn)生與發(fā)揮作用。2.2.1CPU——解釋執(zhí)行指令的引擎

當(dāng)執(zhí)行程序時，控制器會先命令內(nèi)存，從中讀取出來一條指令，通過PC的指示，從內(nèi)存中取出的當(dāng)前指令，暫存在IR中進(jìn)行指令的分析；接著，CU用來分析指令所需要完成的操作，并發(fā)出各種微操作命令序列，用于控制計算機(jī)內(nèi)的各個部件有條不紊的工作；最后通過CU按照分析的結(jié)果來發(fā)送相應(yīng)的控制信號或者微操作命令，以實現(xiàn)該指令的執(zhí)行結(jié)果。計算機(jī)就是按照PC的指示，不停地從內(nèi)存中取出指令，放置在IR中進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果通過運算器的運算，完成指定的操作，如此循環(huán)往復(fù)，直到最后的指令全部執(zhí)行完畢為止。2.2.2存儲器—按地址自動存取信息的部件

1.寄存器

CPU內(nèi)部有若干寄存器，每個寄存器可以存儲一個字（少則一個字節(jié)、多則8個字節(jié)）。它和CPU采用相同工藝制造，速度可以和CPU完全匹配，但其存儲容量卻特別少，只能用于指令級數(shù)據(jù)的臨時存儲。

2.主存

主存也稱為內(nèi)存，由半導(dǎo)體存儲單元組成，按其功能特征可分為兩類。一類是只讀存儲器（ReadOnlyMemory，ROM），它是一種只能讀出不能寫入的存儲器，用于存放那些固定不變的、不需修改的程序，ROM必須在電源電壓正常時才能工作，斷電后，其中存儲的信息不會丟失，一旦正常供電，就能提供信息。另一類是隨機(jī)存取存儲器（RandomAccessMemory，RAM），它既允許讀出也允許寫入信息，用于存放用戶程序和數(shù)據(jù)。RAM也只能在電源電壓正常時才能工作，所不同的是一旦斷電，記錄的信息將全部丟失。2.2.2存儲器—按地址自動存取信息的部件

3.輔助存儲器

又稱外存儲器、外存，主要用來長期存放計算機(jī)工作所需的系統(tǒng)文件、應(yīng)用程序、用戶程序、文檔和數(shù)據(jù)等。計算機(jī)實際執(zhí)行程序和加工處理數(shù)據(jù)時，外存中的信息需要先傳送到內(nèi)存后才能被CPU使用。外存儲器的容量一般都比較大，而且大部分可以移動，便于不同計算機(jī)之間進(jìn)行信息共享。計算機(jī)中的外部存儲設(shè)備種類非常多，主要有光盤、硬盤、U盤、云存儲等，不過目前使用最多的還是硬盤。從存儲數(shù)據(jù)的介質(zhì)上來區(qū)分，硬盤可分為機(jī)械硬盤和固態(tài)硬盤，機(jī)械硬盤采用磁性盤片來存儲數(shù)據(jù)，而固態(tài)硬盤通過閃存顆粒來存儲數(shù)據(jù)。2.2.2存儲器—按地址自動存取信息的部件4.存儲體系

將性能不同的存儲器整合成一個整體，使用戶感到容量像外存的容量，速度像內(nèi)存的速度，內(nèi)存外存的成本又能滿足用戶的期望?，F(xiàn)代計算機(jī)的存儲體系2.2.3I/O設(shè)備—與計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠布@示器顯示器屬于輸出設(shè)備，目前有：CRT，LCD（液晶）和PDP等離子顯示器三種。由于CRT既笨重又耗電，等離子顯示器尺寸大、價格過高等原因，LCD顯示器目前成為主流。LCD主要性能指標(biāo)有：響應(yīng)時間、可視角度、點距、分辨率、刷新率、亮度、對比度等。

鍵盤和鼠標(biāo)鍵盤和鼠標(biāo)是微機(jī)系統(tǒng)的輸入設(shè)備，它們負(fù)責(zé)將指令和信息輸入到電腦中去。鼠標(biāo)和鍵盤分為無線的和有線的兩種。2.2.3I/O設(shè)備—與計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠布嬎銠C(jī)的軟件系統(tǒng)第2章032.3計算機(jī)軟件系統(tǒng)計算機(jī)軟件是計算機(jī)的靈魂，是計算機(jī)應(yīng)用的關(guān)鍵。所謂軟件是指為了方便使用計算機(jī)和提高效率而組織的程序，以及程序運行時所需要的數(shù)據(jù)、關(guān)于程序的功能和使用的有關(guān)文檔。計算機(jī)安裝的各種軟件都有自身功能，軟件種類不同，其特點也不同。一般可將軟件系統(tǒng)分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類。2.3計算機(jī)軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)2.3.1系統(tǒng)軟件具有代表性的系統(tǒng)軟件有：1、操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)（OperatingSystem，OS）是現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)中必不可少的最重要的系統(tǒng)軟件，負(fù)責(zé)管理計算機(jī)硬件（如CPU、內(nèi)存空間、輸入輸出設(shè)備）和軟件資源（如文件系統(tǒng)），以方便用戶充分、有效地利用這些資源并增強(qiáng)整個計算機(jī)的處理能力為目的。它是最底層的軟件，控制計算機(jī)系統(tǒng)的所有軟件并管理整個計算機(jī)的資源，是計算機(jī)與用戶之間的橋梁。缺少它，用戶也就無法使用任何軟件。

常見的操作系統(tǒng)有DOS、MacOS、Windows、Unix以及各種嵌入式操作系統(tǒng)（如Android）等。2.3.1系統(tǒng)軟件

2、語言處理程序除了機(jī)器語言程序外，其他軟件語言編寫的程序都不能直接在計算機(jī)上執(zhí)行。因此需要把用程序語言（包括匯編語言和高級語言）編寫的各種程序變換成可在計算機(jī)上執(zhí)行的程序，這一轉(zhuǎn)換是由翻譯程序來完成的。翻譯程序除了要完成語言間的轉(zhuǎn)換外，還要進(jìn)行語法、語義等方面的檢查，翻譯程序統(tǒng)稱為語言處理程序，按照不同的翻譯處理方法可分為三類：匯編程序、編譯程序和解釋程序。2.3.1系統(tǒng)軟件

（1）匯編程序

匯編程序是把匯編語言書寫的程序翻譯成與之等價的機(jī)器語言程序的翻譯程序。匯編程序輸入的是用匯編語言書寫的源程序，輸出的是用機(jī)器語言表示的目標(biāo)程序。匯編語言的指令與機(jī)器語言的指令大體上保持一一對應(yīng)的關(guān)系，因此編寫出的程序雖不如高級程序設(shè)計語言簡便、直觀，但是匯編出的目標(biāo)程序占用內(nèi)存較少、運行效率較高，且能直接引用計算機(jī)的各種設(shè)備資源。源程序目標(biāo)程序匯編匯編指令程序機(jī)器語言程序匯編程序的工作過程2.3.1系統(tǒng)軟件

（2）編譯程序編譯程序（Compile），又稱編譯器，功能是將高級語言書寫的源程序翻譯成等價的機(jī)器語言目標(biāo)程序。我們知道，源程序語言種類成千上萬，從常用的C、Java、FORTRAN語言，到各種各樣的計算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的專用語言，翻譯工作是個非常復(fù)雜的過程。通常將整個工作過程按階段進(jìn)行，每個階段將源程序的一種表示形式轉(zhuǎn)換成另一種表示形式，各個階段進(jìn)行的操作在邏輯上市緊密連接在一起的。編譯程序的處理過程2.3.1系統(tǒng)軟件

（3）解釋程序解釋程序是另一種語言處理程序，它將高級語言書寫的源程序作為輸入，一個個的獲取、分析并執(zhí)行源程序語句，解釋一句后就提交計算機(jī)運行，直接輸出結(jié)果，并不生成目標(biāo)程序。解釋程序源程序原始數(shù)據(jù)運行結(jié)果解釋程序的翻譯過程2.3.1系統(tǒng)軟件

3、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DataBaseManagementSystem），簡稱DBMS，是安裝在操作系統(tǒng)之上的一種操縱和管理數(shù)據(jù)庫的大型軟件，用于建立、使用和維護(hù)數(shù)據(jù)庫。常用的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)有Access、Oracle、SQLserver、SYBASE、DB2等。Access數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)2.3.1系統(tǒng)軟件

4、服務(wù)程序服務(wù)程序是一類輔助性的程序，它提供一些常用的服務(wù)性功能，為用戶開發(fā)程序和使用計算機(jī)提供了方便，像微機(jī)上經(jīng)常使用的診斷程序、調(diào)試程序、編輯程序均屬此類。2.3.2應(yīng)用軟件

應(yīng)用軟件是用高級程序設(shè)計語言編寫出來的具有特定功能的，為滿足用戶不同領(lǐng)域、不同問題的應(yīng)用需求而提供的那部分軟件，它可以拓寬計算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，放大硬件的功能。按用途劃分，較常見的應(yīng)用軟件如下：1、辦公軟件計算機(jī)的一個很重要的工作就是日常辦公，微軟開發(fā)的Office系列和金山開發(fā)的WPS系列辦公軟件，包含了進(jìn)行文字處理、表格制作、幻燈片制作、圖形圖像處理、簡單數(shù)據(jù)庫的處理等方面工作的組件。這些組件協(xié)同使用，基本可以滿足日常辦公的需要。2.3.2應(yīng)用軟件

2、各種工具軟件常用的工具軟件包括：殺毒軟件、數(shù)據(jù)壓縮軟件、數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)、多媒體播放軟件、瀏覽器、聊天軟件、下載軟件等。例如：360安全衛(wèi)士、WinRAR、Ghost、Thunder、暴風(fēng)影音、QQ等。3、信息管理軟件信息管理軟件，是對信息數(shù)據(jù)進(jìn)行收集整理，并提供數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)查詢等相關(guān)功能的程序。這種軟件一般需要數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進(jìn)行后臺支撐，由高級程序設(shè)計語言進(jìn)行前臺開發(fā)。例如：倉庫管理系統(tǒng)、人事管理系統(tǒng)、工資管理系統(tǒng)等。2.3.2應(yīng)用軟件

4、輔助設(shè)計軟件

輔助設(shè)計軟件用于輔助設(shè)計的軟件，一般適用于建筑、機(jī)械、電子、服裝等方面的繪圖設(shè)計。例如：二維繪圖設(shè)計、三維幾何造型設(shè)計等。這種軟件一般需要AutoCAD和程序設(shè)計語言、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等的支持。5、實時控制軟件實時控制軟件用于隨時獲取運行狀態(tài)信息，并根據(jù)信息實施自動或半自動控制。較多用于工業(yè)控制、火力控制等領(lǐng)域。操作系統(tǒng)第2章042.4計算機(jī)的管家—操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)作為一種特殊的用于控制計算機(jī)(硬件)的軟件(程序)，是計算機(jī)底層的系統(tǒng)軟件，負(fù)責(zé)管理、調(diào)度、指揮計算機(jī)的軟硬件資源使其協(xié)調(diào)工作，沒有它，任何計算機(jī)都無法正常運行。它在資源使用者和資源之間充當(dāng)中間人的角色。操作系統(tǒng)是用戶和計算機(jī)硬件的接口，同是也是計算機(jī)硬件和其他軟件的接口。操作系統(tǒng)在計算機(jī)系統(tǒng)中所處的位置非常重要。2.4計算機(jī)的管家—操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)所處的位置2.4.1操作系統(tǒng)對計算機(jī)資源的管理

操作系統(tǒng)是計算機(jī)的管家，是現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)不可缺少的重要組成。它是這樣一些程序模塊的集合-----它們管理和控制計算機(jī)系統(tǒng)的軟件和硬件資源，合理地組織計算機(jī)工作流程，以便有效的利用這些資源為用戶提供一個功能強(qiáng)大、使用方便和可擴(kuò)展的工作環(huán)境，從而在計算機(jī)與其用戶之間起到接口的作用。

操作系統(tǒng)是最重要且最基本的系統(tǒng)軟件之一，是計算機(jī)系統(tǒng)的控制和管理中心。其目標(biāo)表現(xiàn)在以下四個方面：1、有效性2、方便性3、可擴(kuò)充性4、開放性2.4.1操作系統(tǒng)對計算機(jī)資源的管理2.4.1操作系統(tǒng)對計算機(jī)資源的管理

操作系統(tǒng)的作用：1、作為用戶與計算機(jī)硬件系統(tǒng)之間的接口，用戶可通過命令方式，系統(tǒng)調(diào)用方式，圖形-窗口方式來使用計算機(jī)。如圖分別為命令方式和圖形-窗口方式。命令方式圖形-窗口方式

2、作為計算機(jī)系統(tǒng)資源的管理者。在一個計算機(jī)系統(tǒng)中，通常都含有多種硬件和軟件資源。為了有效地利用計算機(jī)系統(tǒng)的各種資源，如處理機(jī)時間、內(nèi)存空間、外部設(shè)備、數(shù)據(jù)和程序等，操作系統(tǒng)必須為用戶承擔(dān)起對計算機(jī)資源的管理任務(wù)。2.4.1操作系統(tǒng)對計算機(jī)資源的管理2.4.1操作系統(tǒng)對計算機(jī)資源的管理

3、擴(kuò)展計算機(jī)的功能操作系統(tǒng)是鋪設(shè)在計算機(jī)硬件上的多層系統(tǒng)軟件，是對計算機(jī)硬件的一個軟件包裝。不僅增強(qiáng)了系統(tǒng)的功能，而且還隱藏了對硬件操作的細(xì)節(jié)。將裸機(jī)改造成為功能更強(qiáng)大、使用更方便的虛擬機(jī)和擴(kuò)展機(jī)，為使用人員提供了一個更便于使用的計算機(jī)系統(tǒng)。2.4.1操作系統(tǒng)對計算機(jī)資源的管理

操作系統(tǒng)位于底層硬件和用戶之間，是兩者溝通的橋梁。主要任務(wù)是管理和控制計算機(jī)系統(tǒng)中的所有資源，合理地組織計算機(jī)工作流程，并為用戶提供一個良好的工作環(huán)境和友好的接口。計算機(jī)系統(tǒng)的主要硬件資源有處理器、存儲器、外部設(shè)備，軟件資源以文件形式存在外存儲器上。因此從資源管理和用戶接口的觀點上看，操作系統(tǒng)具有處理機(jī)管理、存儲管理、設(shè)備管理、文件管理和提供用戶接口的功能。2.4.1操作系統(tǒng)對計算機(jī)資源的管理

1、處理機(jī)管理功能計算機(jī)系統(tǒng)中處理機(jī)（即CPU）是最寶貴的系統(tǒng)資源，處理機(jī)管理的目的是要合理地分配時間，以保證多個作業(yè)能順利完成并且盡量提高CPU的效率，使用戶等待的時間最少。例如：在Windows操作系統(tǒng)內(nèi)，一般都有多個任務(wù)同時存在，這些任務(wù)都是由處理機(jī)執(zhí)行，而同一時刻處理機(jī)只能執(zhí)行一個任務(wù)，需要將處理機(jī)的時間合理、動態(tài)地分配各個任務(wù)。操作系統(tǒng)對處理機(jī)管理策略不同，提供作業(yè)處理方式也就不同，例如，批處理方式、分時處理方式和實時處理方式。處理機(jī)管理包括：進(jìn)程控制、進(jìn)程同步、進(jìn)程通信、進(jìn)程調(diào)度。2.4.1操作系統(tǒng)對計算機(jī)資源的管理

（1）進(jìn)程的概念進(jìn)程是程序在一個數(shù)據(jù)集合上運行的過程，它是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的一個獨立單位，是操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。進(jìn)程能夠申請和擁有系統(tǒng)資源，是應(yīng)用程序的一次動態(tài)執(zhí)行，具有生命周期。2.4.1操作系統(tǒng)對計算機(jī)資源的管理

Windows10系統(tǒng)某時刻的部分進(jìn)程2.4.1操作系統(tǒng)對計算機(jī)資源的管理

進(jìn)程有以下特征：①動態(tài)性：進(jìn)程的實質(zhì)是程序在多道程序系統(tǒng)中的一次執(zhí)行過程，進(jìn)程是動態(tài)產(chǎn)生，動態(tài)消亡的。②并發(fā)性：任何進(jìn)程都可以同其他進(jìn)程一起并發(fā)執(zhí)行③獨立性：進(jìn)程是一個能獨立運行的基本單位，同時也是系統(tǒng)分配資源和調(diào)度的獨立單位；④異步性：由于進(jìn)程間的相互制約，使進(jìn)程具有執(zhí)行的間斷性，即進(jìn)程按各自獨立的、不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)。2.4.1操作系統(tǒng)對計算機(jī)資源的管理

（2）進(jìn)程的狀態(tài)進(jìn)程執(zhí)行時的間斷性決定了進(jìn)程可能具有多種狀態(tài)。事實上，運行中的進(jìn)程可能具有三種基本狀態(tài)：就緒態(tài)、運行態(tài)、阻塞態(tài)。進(jìn)程的狀態(tài)和轉(zhuǎn)換2.4.1操作系統(tǒng)對計算機(jī)資源的管理

（3）多道程序設(shè)計

所謂多道程序設(shè)計指的是允許多個程序同時進(jìn)入一個計算機(jī)系統(tǒng)的主存儲器并啟動進(jìn)行計算的方法。也就是說，計算機(jī)內(nèi)存中可以同時存放多道（兩個以上相互獨立的）程序，它們都處于開始和結(jié)束之間。從宏觀上看是并行的，多道程序都處于運行中，并且都沒有運行結(jié)束；從微觀上看是串行的，多道程序輪流使用CPU，交替執(zhí)行。引入多道程序設(shè)計的根本目的是為了提高CPU的利用率，充分發(fā)揮計算機(jī)系統(tǒng)部件的并行性，現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)都采用了多道程序設(shè)計技術(shù)。2.4.1操作系統(tǒng)對計算機(jī)資源的管理多道程序工作的示例2.4.1操作系統(tǒng)對計算機(jī)資源的管理

2、存儲器管理功能存儲器管理主要是針對內(nèi)存的管理。雖然計算機(jī)硬件一直在飛速發(fā)展，內(nèi)存容量也在不斷增長，但是仍然不可能將所有用戶進(jìn)程和系統(tǒng)所需要的全部程序及數(shù)據(jù)放入內(nèi)存中，所以操作系統(tǒng)必須將內(nèi)存空間進(jìn)行合理地劃分和有效地動態(tài)分配。有效的內(nèi)存管理在多道程序設(shè)計中非常重要，不僅方便用戶使用存儲器、提高內(nèi)存利用率，還可以通過虛擬技術(shù)從邏輯上擴(kuò)充存儲器。2.4.1操作系統(tǒng)對計算機(jī)資源的管理

存儲器管理主要包括：（1）內(nèi)存空間的分配與回收：由操作系統(tǒng)完成主存儲器空間的分配和管理，使程序員擺脫存儲分配的麻煩，提高編程效率。（2）地址轉(zhuǎn)換：在多道程序環(huán)境下，程序中的邏輯地址與內(nèi)存中的物理地址不可能一致，因此存儲管理必須提供地址變換功能，把邏輯地址轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的物理地址。（3）內(nèi)存空間的擴(kuò)充：利用虛擬存儲技術(shù)或自動覆蓋技術(shù)，從邏輯上擴(kuò)充內(nèi)存。（4）存儲保護(hù)：保證各道作業(yè)在各自的存儲空間內(nèi)運行，互不干擾。2.4.1操作系統(tǒng)對計算機(jī)資源的管理虛擬內(nèi)存空間2.4.1操作系統(tǒng)對計算機(jī)資源的管理

3、設(shè)備管理功能當(dāng)用戶程序要使用外部設(shè)備時，設(shè)備管理控制（或調(diào)用）驅(qū)動程序使外部設(shè)備工作，并隨時對該設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，處理外部設(shè)備的中斷請求等。2.4.1操作系統(tǒng)對計算機(jī)資源的管理設(shè)備管理2.4.1操作系統(tǒng)對計算機(jī)資源的管理磁盤管理2.4.1操作系統(tǒng)對計算機(jī)資源的管理

4、文件管理功能

以上三種管理都是針對計算機(jī)的硬件資源的管理。文件管理則是對軟件資源的管理。為了管理龐大的系統(tǒng)軟件資源及用戶提供的程序和數(shù)據(jù)，操作系統(tǒng)將它們組織成文件的形式，操作系統(tǒng)對軟件的管理實際上是對文件系統(tǒng)的管理。（1）文件和文件夾文件是一組有名稱的相關(guān)信息的集合，程序和數(shù)據(jù)都是以文件形式存放在計算機(jī)的磁盤上，文件夾則是用來管理一組相關(guān)文件的集合。（2）文件系統(tǒng)文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)用于明確磁盤或分區(qū)上的文件的方法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；即在磁盤上組織文件的方法。也指用于存儲文件的磁盤或分區(qū)，或文件系統(tǒng)種類。常見的文件系統(tǒng)有FAT、NTFS、exFAT等。2.4.1操作系統(tǒng)對計算機(jī)資源的管理樹形結(jié)構(gòu)目錄

存儲體系、進(jìn)程管理體系及任務(wù)－作業(yè)體系的建立為計算機(jī)執(zhí)行更為復(fù)雜、多樣化的程序提供了可能，而CPU速度的不斷提高，也為其能并行地執(zhí)行多個任務(wù)、同時為多個用戶服務(wù)提供了可能。而這一切都要依賴操作系統(tǒng)對CPU所實現(xiàn)的有效管理，它擴(kuò)展了硬件的功能，在同一時刻，內(nèi)存中會有多個進(jìn)程存在，而CPU只有一個，如何由一個CPU執(zhí)行多個進(jìn)程呢？CPU要執(zhí)行哪一個進(jìn)程呢？2.4.2操作系統(tǒng)對計算機(jī)資源的協(xié)同

1.分時調(diào)度策略操作系統(tǒng)可支持多用戶同時使用計算機(jī)，即一個CPU可執(zhí)行多個進(jìn)程。怎樣讓所有進(jìn)程（及進(jìn)程相關(guān)的用戶）都感覺到其獨占CPU呢？人們發(fā)明了分時調(diào)度策略，即把CPU的被占時間劃分成若干段時間，每段間隔特別小，CPU按照時間段輪流執(zhí)行每一個進(jìn)程，從而使得每個進(jìn)程都感覺其在獨占CPU.這就是典型的分時調(diào)度思維，它有效地解決了單一資源的共享使用問題。2.4.2操作系統(tǒng)對計算機(jī)資源的協(xié)同

2.多處理機(jī)調(diào)度策略

分時調(diào)度策略解決了多任務(wù)共享使用單一資源的問題，如果任務(wù)或計算量很大，能否用多CPU來協(xié)同解決呢？答案是可以的?？梢詫⒁粋€大計算量的任務(wù)劃分成若干個可由單－CPU解決的小任務(wù)，分配給相應(yīng)的CPU來執(zhí)行，當(dāng)這些小任務(wù)被相應(yīng)的CPU執(zhí)行完后再將其結(jié)果進(jìn)行合并處理后形成最終的結(jié)果返回給用戶，這就是典型的多處理機(jī)調(diào)度策略，采用分布式或并行的方式來求解大型計算任務(wù)相關(guān)的問題，例如典型的“線程”即描述類似這種小任務(wù)的一個程序，多線程技術(shù)可控制多個計算機(jī)（或嵌入式自主設(shè)備）協(xié)同地進(jìn)行問題求解。2.4.2操作系統(tǒng)對計算機(jī)資源的協(xié)同2.4.2操作系統(tǒng)對計算機(jī)資源的協(xié)同2.4.3操作系統(tǒng)的發(fā)展過程

操作系統(tǒng)與計算機(jī)硬件的發(fā)展息息相關(guān)。操作系統(tǒng)的發(fā)展就是一部解決計算機(jī)系統(tǒng)需求與問題的歷史。從無操作系統(tǒng)計算機(jī)到脫機(jī)輸入，輸出，在后來的單道批處理系統(tǒng)到多道批處理系統(tǒng)，再到分時系統(tǒng)，實時系統(tǒng)，操作系統(tǒng)在不斷飛速發(fā)展。2.4.3操作系統(tǒng)的發(fā)展過程

1、批處理系統(tǒng)這種方式通常是把一批作業(yè)以脫機(jī)方式輸入到磁帶上，并在系統(tǒng)中配上監(jiān)督程序（Monitor），在它的控制下使這批作業(yè)能一個接一個地連續(xù)處理。其自動處理過程是：首先，由監(jiān)督程序?qū)⒋艓系牡谝粋€作業(yè)裝入內(nèi)存，并把運行控制權(quán)交給該作業(yè)。當(dāng)該作業(yè)處理完成時，又把控制權(quán)交還給監(jiān)督程序，再由監(jiān)督程序把磁帶（盤）上的第二個作業(yè)調(diào)入內(nèi)存。計算機(jī)系統(tǒng)就這樣自動地一個作業(yè)一個作業(yè)地進(jìn)行處理，直至磁帶（盤）上的所有作業(yè)全部完成。批處理操作系統(tǒng)分為單道批處理系統(tǒng)和多道批處理系統(tǒng)。批處理操作系統(tǒng)不具有交互性。2.4.3操作系統(tǒng)的發(fā)展過程

2、分時系統(tǒng)

20世紀(jì)70年代前后，出現(xiàn)了分時操作系統(tǒng)。分時系統(tǒng)與多道批處理系統(tǒng)之間有著截然不同的性能差別，它能很好地將一臺計算機(jī)提供給多個用戶同時使用，提高計算機(jī)的利用率。這類系統(tǒng)在一臺主機(jī)上連接了多個帶有顯示器和鍵盤的終端，同時允許多個用戶通過自己的終端，以交互方式使用計算機(jī)，共享主機(jī)中的資源。它將CPU的時間劃分成若干個片段（稱為時間片），以時間片為單位，輪流為每個終端用戶服務(wù)。由于時間間隔很短，每個用戶的感覺就像他獨占計算機(jī)一樣。分時操作系統(tǒng)典型的例子就是Unix和Linux的操作系統(tǒng)。2.4.3操作系統(tǒng)的發(fā)展過程

3、實時系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)是保證在一定時間限制內(nèi)完成特定功能的操作系統(tǒng)，要求對外部請求在嚴(yán)格時間范圍內(nèi)做出反應(yīng)，具有高可靠性和完整性，其主要特點是資源的分配和調(diào)度首先要考慮實時性然后才是效率。實時操作系統(tǒng)有硬實時和軟實時之分，硬實時要求在規(guī)定的時間內(nèi)必須完成操作，這是在操作系統(tǒng)設(shè)計時保證的；軟實時則只要按照任務(wù)的優(yōu)先級，盡可能快地完成操作即可。我們通常使用的操作系統(tǒng)在經(jīng)過一定改變之后就可以變成實時操作系統(tǒng)，如微軟的WindowsNT或IBM的OS/390本身具有實時系統(tǒng)的特征，即使不是嚴(yán)格的實時系統(tǒng)，也能解決一部分實時應(yīng)用問題。2.4.4典型操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)的種類相當(dāng)多，各種設(shè)備安裝的操作系統(tǒng)可從簡單到復(fù)雜，可分為智能卡操作系統(tǒng)、實時操作系統(tǒng)、傳感器節(jié)點操作系統(tǒng)、嵌入式操作系統(tǒng)、個人計算機(jī)操作系統(tǒng)、多處理器操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和大型機(jī)操作系統(tǒng)。按照操作系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，可分為桌面操作系統(tǒng)、服務(wù)器操作系統(tǒng)、嵌入式操作系統(tǒng)；按照操作系統(tǒng)所支持用戶數(shù)可分為單用戶操作系統(tǒng)(如MSDOS、OS/2．Windows)、多用戶操作系統(tǒng)(如UNIX、Linux、MVS)；按照操作系統(tǒng)源碼開放程度可分為開源操作系統(tǒng)（如Linux）和非開源操作系統(tǒng)（如MacOS、Windows）；2.4.4典型操作系統(tǒng)

按照操作系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)可分為網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)(Netware、WindowsNT、OS/2warp)、多媒體操作系統(tǒng)(Amiga)、和分布式操作系統(tǒng)等；按照操作系統(tǒng)環(huán)境可分為批處理操作系統(tǒng)（如MVX、DOS/VSE）、分時操作系統(tǒng)（如Linux、UNIX、XENIX、MacOS）、實時操作系統(tǒng)（如iEMX、VRTX、RTOS，RTWINDOWS）；按照操作系統(tǒng)存儲器尋址寬可以將操作系統(tǒng)分為8位、16位、32位、64位、128位的操作系統(tǒng)。早期的操作系統(tǒng)一般只支持8位和16位存儲器尋址寬度，現(xiàn)代的操作系統(tǒng)如Linux和Windows7都支持32位和64位。2.4.4典型操作系統(tǒng)DOS操作系統(tǒng)DOS2.4.4典型操作系統(tǒng)MacOSMacOS2.4.4典型操作系統(tǒng)

Windows

Windows2.4.4典型操作系統(tǒng)LinuxLinux2.4.4典型操作系統(tǒng)麒麟操作系統(tǒng)麒麟2.4.4典型操作系統(tǒng)鴻蒙鴻蒙未來計算機(jī)系統(tǒng)第2章05指令和數(shù)據(jù)存儲在同一個存儲器中，形成系統(tǒng)對存儲器的過分依賴。如果存儲器件的發(fā)展受阻，系統(tǒng)的發(fā)展也將受阻。指令在存儲器中按其執(zhí)行順序存放，影響系統(tǒng)執(zhí)行的速度。存儲器是按地址訪問的線性編址，按順序排列的地址訪問，利于存儲和執(zhí)行的機(jī)器語言指令，適用于作數(shù)值計算。但是高級語言表示的存儲器則是一組有名字的變量，按名字調(diào)用變量，不按地址訪問。機(jī)器語言同高級語言在語義上存在很大的間隔，消除語義間隔成了計算機(jī)發(fā)展面臨的一大難題。2.5.1現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)的局限性馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)計算機(jī)是為算術(shù)和邏輯運算而誕生的，目前在數(shù)值處理方面已經(jīng)到達(dá)較高的速度和精度，而非數(shù)值處理應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展緩慢，需要在體系結(jié)構(gòu)方面有重大的突破。傳統(tǒng)的馮·諾依曼型結(jié)構(gòu)屬于控制驅(qū)動方式。它是執(zhí)行指令代碼對數(shù)值代碼進(jìn)行處理，只要指令明確，輸入數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，啟動程序后自動運行而且結(jié)果是預(yù)期的。一旦指令和數(shù)據(jù)有錯誤，機(jī)器不會主動修改指令并完善程序。而人類生活中有許多信息是模糊的，事件的發(fā)生、發(fā)展和結(jié)果是不能預(yù)期的，現(xiàn)代計算機(jī)的智能程度無法應(yīng)對如此復(fù)雜的任務(wù)。2.5.1現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)的局限性

1.計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展

近幾年來人們努力謀求突破傳統(tǒng)馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)的局限，各類非馮·諾依曼體系計算機(jī)的研究蓬勃發(fā)展：

（1）對傳統(tǒng)馮·諾依曼機(jī)進(jìn)行改良，如傳統(tǒng)體系計算機(jī)只有一個處理部件是串行執(zhí)行的，改成多處理部件形成流水處理，依靠時間上的重疊提高處理效率。

（2）由多個處理器構(gòu)成系統(tǒng)，形成多指令流多數(shù)據(jù)流支持并行算法結(jié)構(gòu)。

（3）否定馮·