.1.1

计算机系统是由硬件系统和软件系统组成的通过建立系统软件和应用软件来提供解决现实问题的方法。

本章简要介绍计算机系统的结构、存储器系统、输入输出系统、指令系统、多处理机系统、操作系统等基础知识。

3.1

从不同角度分析计莽机系统有不同的划分层次但通常可划分为包括硬件层、系统层和

3.1.2

个基本部分组成:运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备如图

图中实线箭头”—”代表数

是硬件系统的核心用于数据的加工处理能完成各种算术、逻辑运算及控制功能。

存储器是计算机系统中的记忆设备分为内部存储器和外部存储器。

前者速度高、容量小

一般用千临时存放程序、数据及中间结果。

而后者容蛋大、速度慢可以长期保存程序和数据。

输入设备和输出设备合称为外部设备(简称外设)输入设备用于输入原始数据及各种命令而

3.1.3

系统软件:用千实现计算机系统的管理、调度、监视和服务等功能。

通常将系统软件分为

类:操作系统、语言处理程序、服务性程序、数据库管理系统和计算机网络软件。

(2)

应用软件:是为解决某种应用问题而编制的一些程序。

应用软件是用户或第三方软件

公司为各自业务开发和使用的各种软件种类繁多。

例如财务管理软件、项目管理软件、营

3.2

Memory)简称主存或内存是计算机硬件的重要部件其作用是存放计算机运行时的程序和数据并能由

CPU

辅助存储器简称辅存用于存放需待久性存储的信息。

其特点是存储器容量大、可靠性高、价格低。

常用的辅存有

磁带存储器磁带的优点是存储容量大、便千携带、价格便宜缺点是存取速度慢。

硬盘存储器机械硬盘

(HDD)

速度和磁盘存储器速度之间的差距。

光盘存储器光盘存储器是利用激光束在记录表面存储信息根据激光束的反射光来读出信息。

根据性能和用途的不同光盘存储器可分为

种类型分别为

与存储系统间的数据传送带宽限制。

高速存储器能以极高的速率进行数据的访问但其价格高昂通常在

CPU

缆直接连到服务器其本身是硬件的堆叠存储操作依赖千服务器不带有任何存储操作系统。

网络附加存储NAS

的存储设备类似于一个专用的文件服务器它去掉了通用服务器的大多数计算功能

是通过专用交换机将磁盘阵列与服务器连接起来的高速专用子网。

它没有采用文件共

block)

输入输出系统简称I/0系统它由I/0设备、I/0接口(I/0控制器)、

I/0

设备有效地入计算机系统将计算机外部信息输入到计算机内部(简称为输入操作)以便进行加工处理;将计算机内部存储和加工处理的信息输出到计算机之外

3.3.1

总线标准主要规定总线的机械结构规范、功能结构规范和电气规范。

总线标准可以分为正式标准和工业标准其中正式标准是由

IEEE等国际组织正式确定和承认的标准;工业标准也称为事实标准是首先由某一厂家提出然后得到其他厂家广泛使用的标准。

物理特性又称为机械特性它规定了总线的线数以及总线的插头、插座的形状、

尺寸和信号线的排列方式等要素;功能特性描述总线中每一根线的功能;电气特性定义了每根

线上信号的传递方向及有效电平范围;时间特性规定了每根线在什么时间有效以及不同信号之间相互配合的时间关系。

(1)总线宽度。

总线宽度指的是总线的线数它决定了总线所占的物理空间和成本。

(2)总线带宽。

总线宽度指总线的最大数据传输速率即每秒传输的字节数单位可以用

字节/秒

(3)总线负载。

总线负载是指连接在总线上的最大设备数蛋。

大多数总线的负载能力是有限的。

(4)

总线分时复用。

总线分时复用是指在不同时段利用总线上同一个信号线传送不同信号。

(5)

总线猝发传输。

猝发式数据传输是一种总线传输方式即在一个总线周期中可以传输

3.3.3

和外设(外部设备)之间的界面通过接口可以实现主机和外设之间的信息交换。

1/0

指令是指示计算机执行某些操作的命令一台计算机的所有指令的集合构成指令系统也

称为指令集。

指令系统是计算机系统中软件与硬件分界面的一个主要标志。

无论结构多么复杂、

功能多么强大的软件凡是能够在机器上直接运行的目标程序都是由若干条机器指令组成的。

在计算机系统中指令系统的设计是非常关键的环节通常由软件设计人员和硬件设计人

3.4.1

在实际的系统设计时某项功能是用硬件实现还是用软件实现主要考虑三个方面的因素分别是速度、价格和灵活性。

用硬件的指令来实现速度快、价格高、灵活性差;用软件的子程序来实现速度慢、价格低、灵活性好。

设计要求

为了增强指令的功能设置一些功能复杂的指令把一些原来由软件实现的、常用的功能

(Complex

指令使用频率相差悬殊。

最常使用的是一些比较简单的指令仅占指令总数的

20%,

变长的指令。

指令长度不是固定的变长的指令增加了指令译码电路的复杂性。

(5)

通常都有指令能够直接对主存单元中的数据进行处理其执行速度较慢。

(6)

中指令使用频率不均衡即各种指令的使用频率相差悬殊。

大量统计数字表明大约有

(2)

集成度迅速提高生产单芯片处理机已成为现实。

在单芯片处理机内希望采用规整的硬布线控制逻辑而不是用微程序。

(3)软硬件的功能分配问题。

为了支持目标程序的优化支持高级语言和编译程序在CISC

中增加了许多复杂的指令。

这些复杂指令简化了目标程序缩小了高级语言与机器指令之间的语义差距但这是以增加硬件的复杂程度、指令执行周期长为代价的。

3.4.3

统不是简单地把指令系统进行简化而是通过简化指令的途径使计算机的结构更加简单、合理以减少指令的执行周期数从而提高运算速度。

RISC

要求指令系统简化操作在单周期内完成指令格式力求一致寻址方式尽可能减少并提高编译的效率最终达到加快机器处理速度的目的。

(1)

指令数量少。

优先选取使用频率最高的一些简单指令和常用指令避免使用复杂指令。

LOAD

指令的寻址方式少。

通常只支持寄存器寻址、立即数寻址和相对寻址方式。

RISC

以硬布线逻辑控制为主。

为了提高操作的执行速度通常采用硬布线逻辑(组合逻辑)

(5)

单周期指令执行采用流水线技术。

因为简化了指令系统很容易利用流水线技术

使得大部分指令都能在一个机器周期内完成。

少数指令可能需要多周期例如

LOAD/STORE

少、寻址方式少编译时不必在具有相似功能的许多指令中进行选择也不必为寻址方式的选

(7)

的基本特色之外还必须辅以一些必不可少的复杂指令(例如浮点运算、十进制运算指令等)。

这种机器实际上是在

RISC

流水线计算机通过多级流水的同时操作来获得高性能但只能执行单个程序。

而且由千器件本身的限制任何处理机的速度都是有限的。

要想突破这个限制就必须使用多个处理机并行

3.5.1

统一控制下通过共享主存或高速通信网络进行通信协同求解一个个复杂的问题。

多处理机通过利用多台处理机进行多任务处理来提高速度利用系统的重组能力来提高可靠性、适应性

多处理机有多个处理单元这就产生了多个处理单元如何访问内存的问题。

通常有两种方式:

共享存储方式

系统的定义随着时间推移在不断地变化。

按照当前的标准具有几百或几千台处理机

MPP。

显然随着计算机技术的快速发展对并行度的要求会愈来愈高。

MPP

结点由处理机和存储器两部分组成存储器靠近处理机而不是集中在某个地方处理机可以访问

3.5.4

互连网络是用来连接一个计算机系统中的各处理部件、存储模块以及各种外设在系统软件控制下使各功能部件相互通信的硬件网络结构。

目前互连网络已经成为并行处理系统的

核心组成部分它对整个计算机系统的性能/价格比有着决定性的影响。

3.6

传统计算机系统资源分为硬件资源和软件资源。

硬件资源包括中央处理机、存储器和输入/输出设备等物理设备;软件资源是以文件形式保存在存储器上的程序和数据等信息。

现代计算机系统资源管理范围已经扩展到感知、能源、通信资源和服务资源。

本节主要介绍传统计算机系统资源管理。

3.6.1

能有效地组织和管理系统中的各种软/硬件资源合理地组织计算机系统工作流程控制程序的执行并且向用户提供一个良好的工作环境和友好的接口。

操作系统是控制和管理计算机软/硬件资源以尽可能合理、有效的方法组织多个用户共

享多种资源的程序集合。

它具有并发性、共享性、虚拟性和不确定性等特点一般的操作系统都具有

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、分布式操作系统和嵌入式操作系统等类型。

本节主要介绍后

3.6.2

进程一般有三种基本状态:运行、就绪和阻塞。

进程的三态模型如图3-12。

对于一个实际的系统进程的状态及其转换更复杂。

例如引入新建态和终止态

2.信号量与

信号量机制有了很大的发展主要有整型信号量、记录型信号量和信号量集机制。

个必要条件如下:

(3)请求与保持条件。

进程在请求其余资源时不主动释放已经占有的资源。

(4)

环路条件。

环路中每一条边是进程在请求另一个进程已经占有的资源。

驼鸟策略(即不理睬策略)、预防策略、避免策略和检测与解除死锁。

传统的进程有两个基本属性:可拥有资源的独立单位;可独立调度和分配的基本单位。

引入线程后将传统进程的两个基本属性分开线程作为调度和分配的基本单位进程作为独立分配资源的单位。

3.6.3

存储器管理的对象是主存存储器简称为主存或内存。

存储器是计算机系统中的关键性资源是存放各种信息的主要场所。

如何对存储器实施有效的管理不仅直接影响存储器的利用

率而且还对系统性能有很大的影响。

存储器管理的主要功能包括主存空间的分配和回收、提

存储器管理的主要目的是解决多个用户使用主存的问题其存储管理方案主要包括

分区存储管理、分页存储管理、分段存储管理、段页式存储管理以及虚拟存储管理

3.6.4

系统由设备、控制器、通道(具有通道的计算机系统)、总线和I/0

设备管理的目标主要是提高设备的利用率为用户提供方便、统一的界面。

提高设备的利用率就是提高

CPU

文件管理系统是操作系统中实现文件统一管理的一组软件和相关数据的集合是专门负责管理和存取文件信息的软件机构简称文件系统。

3.6.6

作业是系统为完成一个用户的计算任务(或一次事务处理)所做的工作总和。

例如对用

户编写的源程序需要经过编译、连接、装入及执行等步骤得到结果这其中的每一个步骤称

为作业步。

在操作系统中用来控制作业进入、执行和撤销的一组程序称为作业管理程序。

操作

3.6.7

司、联想集团、浪潮集团有限公司和民族恒星公司合作研制的。

其目标是打破国外操作系统的

垄断研发一套中国自主知识产权的服务器操作系统。

该系统完全版共包括三个版本:实时版、安全版、服务器版。

(2)

用以及数款来自开源社区的应用软件支撑广大用户日常的学习和工作。

(3)统信操作系统

中标麒麟操作系统是由上海中标软件有限公司发布的面向桌面应用的操作系统。

采用强化的

Linux

红旗Linux是由北京中科红旗软件技术有限公司开发的一系列Linux发行版包括桌

面版、工作站版、数据中心服务器版、

化、支持混合业务负载等特点。

为企业提供高性能、高可用、高效率且易千安装维护的

IT基础

设施平台加速政府和企业上云进程为推动企业数字化转型提供完整的一站式企业上云的云操作系统平台和生态解决方案。

(7)

中科方德基千核高基(核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品)桌面操作系统基础版采用核高基安全加固内核与基于国产兆芯处理器的整机进行全面适配和深度优化安装简单易配置。

(8)

(起点操作系统)**的前身是由广东雨林木风计算机科技有限公司的ylmfos