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,. 大学计算机基础知识点总结 第一章 计算机及信息技术概述（了解） 1、计算机发展历史上的重要人物和思想 1、 法国物理学家帕斯卡(1623-1662)：在 1642年发明了第一台机械式加法机。该机由齿轮组成，靠发条驱动，用专用的铁笔来拨动转轮以输入数字。 2、 德国数学家莱布尼茨：在1673年发明了机械式乘除法器。基本原理继承于帕斯卡的加法机，也是由一系列齿轮组成，但它能够连续重复地做加减法，从而实现了乘除运算。 3、英国数学家巴贝奇：1822年，在历经10年努力终于发明了“差分机”。它有3个齿轮式寄存器，可以保存3个5位数字，计算精度可以达到6位小数。 巴贝奇是现代计算机设计思想的奠基人。 英国科学家阿兰图灵(理论计算机的奠基人) 图灵机：这个在当时看来是纸上谈兵的简单机器，隐含了现代计算机中“存储程序”的基本思想。半个世纪以来，数学家们提出的各种各样的计算模型都被证明是和图灵机等价的。 美籍匈牙利数学家冯诺依曼(计算机鼻祖) 计算机应由运算器、控制器、存储器、 输入设备和输出设备五大部件组成； 应采用二进制简化机器的电路设计； 采用“存储程序”技术,以便计算机能保存和自动依次执行指令。 七十多年来，现代计算机基本结构仍然是“冯诺依曼计算机”。 2、电子计算机的发展历程 1、 1946年2月由宾夕法尼亚大学研制成功的ENIAC是世界上第一台电子数字计算机。“诞生了一个电子的大脑” 致命缺陷：没有存储程序。 2、 电子技术的发展促进了电子计算机的更新换代：电子管、晶体管、集成电路、大规模及超大规模集成电路 3、计算机的类型 按计算机用途分类：通用计算机和专用计算机 按计算机规模分类：巨型机、大型机、小型机、微型机、工作站、服务器、嵌入式计算机 按计算机处理的数据分类：数字计算机、模拟计算机、数字模拟混合计算机 1.1.4 计算机的特点及应用领域 计算机是一种能按照事先存储的程序，自动、高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子设备。（含义） 1、 运算速度快 2、 计算精度高 3、 存储容量大 4、 具有逻辑判断能力 5、 按照程序自动运行 应用领域：科学计算、数据处理、过程与实时控制、人工智能、计算机辅助设计与制造、远程通讯与网络应用、多媒体与虚拟现实 1.1.5 计算机发展趋势：巨型化、微型化、网络化、智能化 1、光计算机 2、生物计算机 3、量子计算机 1.2 计算机系统构成 • 一个完整的计算机系统有硬件系统和软件系统两大部分组成 • 硬件系统是指能够收集、加工、处理数据以及输出数据所需的设备实体，是看得见、摸得着的部件总和。 • 软件系统是指为了充分发挥硬件系统性能和方便人们使用硬件系统，以及解决各类应用问题而设计的程序、数据、文档总和，它们在计算机中体现为一些触摸不到的二进制状态，存储在内存、磁盘、闪存盘、光盘等硬件设备上。 1.3.1 信息技术概念 信息是一种知识，是接受者事先不知道不了解的知识。 数据是信息的载体。数值、文字、语言、图形、图像等都是不同形式的数据。 4次信息革命：文字、造纸和印刷术、电报电话广播电视、计算机与网络 现代信息技术：计算机技术＋微电子技术＋通信技术 1.3.1 信息技术产业与人才 信息产业是信息社会的支柱，主要包括：计算机硬件制造业、计算机软件业、信息服务业以及国民经济中传统行业的信息化 信息产业属资本密集型、知识密集型、人才密集型的产业。 信息技术教育包括： • 对信息科学的理解 • 对信息应用的实践能力 • 对信息社会的认识和态度 第二章 计算机信息基础 2.1.1 数制的概念 数制也称计数制，是指用一组固定的符号和统一的规则来表示数值的方法。 常用数制 十进制 二进制 八进制 十六进制 数字符号 0～9 0，1 0～7 0～9,A,B,C,D,E,F 基 数 10 2 8 16 基数：R进制的基数=R 位权：在数制中，各位数字所表示值的大小不仅与该数字本身的大小有关，还与该数字所在的位置有关，我们称这关系为数的位权。 位权：一个与数字位置有关的常数，位权=Rn 2.1.3 二进制和其它进制的转换 十进制转二进制：整数部分除以2取余，直至商为0；小数部分乘以2取整，直至小数部分为0或达到所需精度为止。 十进制转八进制：方法同上。整数部分除以8，小数部分乘以8。 十进制转十六进制：方法同上。整数部分除以16，小数部分乘以16。 2.2 计算机中的数据单位 位(bit)：计算机存储数据的最小单元(0、1) 字节(Byte)：处理数据的基本单位(8bit/Byte) 常用的字节计数单位： 1KB＝1024 Byte (210B) 1MB＝1024 KB (220B) 1GB＝1024 MB (230B) 1TB＝1024 GB (240B) 字长：CPU一次处理数据的二进制位数。 2.3 信息表示与编码 所谓编码，就是利用数字串来标识所处理对象的不同个体。 2.3.1 整数的表示 在数学中，数值是用“＋”和“－”表示正数和负数的，而在计算机中只有0和1，所以正负号也用0和1表示，即数值符号数字化。 补码的概念是怎么来的？ “模”是指一个系统所能表示的数据个数。按模运算是指运算结果超过模时，模（或模的整数倍）将溢出而只剩下余数。 假设M为模，若数a，b满足a＋b＝M，则称a，b互为补数。 在有模运算中，减去一个数等于加上这个数对模的补数。 2.3.2 实数的表示 定点数：小数点位置固定的数称为定点数。 浮点数：小数点位置不固定的数称为浮点数 与汉字有关的编码： （1）、输入码 (2) 国标码和区位码：每个汉字占两个字节的编码，且每个字节最高位均为0。所有汉字分94个区，每个区94个汉字。由此构成区位码。而区位码的区码和位码各加32就得到国标码。 （3）机内码 （4）字型码：汉字存储在计算机内采用机内码，但输出时必须转换成字形码，再根据字形码输出汉字。字形码又称汉字字模，用于在显示器或打印机上输出各种文字和符号。点阵汉字：每一个汉字以点阵形式存储，有点的地方为“1”，空白的地方为“0”。有1616、2424、4848点阵等。点阵越大，字形分辨率越好，字形也越美观，但汉字存储的字节数就多，字库也就越庞大。 2.3.6 多媒体信息的数字化 数字化就是对模拟世界的一种量化，表示信息的最小单位是位(bit)——“0”或“1”。多媒体信息在计算机中也要转换为0和1，因此也需要进行编码。 第三章 计算机硬件体系结构 3.1 计算机系统的构成 一个完整的计算机系统是由硬件和软件组成。 硬件是由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五部分组成。其中： 中央处理器(简称CPU)=运算器+控制器 主机=中央处理器+主存储器 软件是指各类程序和数据，计算机软件包括计算机本身运行所需要的系统软件和用户完成任务所需要的应用软件。 3.1.2 冯诺依曼型计算机的结构 冯诺依曼型计算机是将程序和数据事先存放在外存储器中，在执行时将程序和数据先从外存装入内存中，然后使计算机在工作时自动地从内存中取出指令并加以执行，这就是存储程序概念的基本原理。 冯诺依曼计算机体系结构的主要特点是： (1) 采用二进制形式表示程序和数据。 (2) 计算机硬件是由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成 。 (3) 程序和数据以二进制形式存放在存储器中。 (4) 控制器根据存放在存储器中的指令 (程序) 工作。 3.1.3 微型计算机的诞生与发展 微型机属于第四代电子计算机产品，即大规模及超大规模集成电路计算机。微机的核心部件是CPU 3.2 微型计算机主机结构 微型机基本是由显示器、键盘和主机构成。在主机箱内有CPU、主板、内存、硬盘、光驱、电源等。 3.2.1中央处理器 CPU CPU：运算器部件、寄存器部件和控制器部件。 CPU从存储器取出指令，放入CPU内部的指令寄存器，并对指令译码。它把指令分解成一系列的微操作，然后发出各种控制命令，执行微操作系列，从而完成一条指令的执行。 CPU的主要性能指标 ： (1) 主频/外频（主频=外频倍频，即CPU工作频率） (2) 数据总线宽度（即字长，指CPU传输数据的位数） (3) 地址总线宽度（决定了CPU可访问的地址空间） (4) 工作电压（低电压可减少CPU过热，降低功耗） (5) 高速缓存Cache（加速CPU与其它设备间数据交换） (6) 运算速度（CPU每秒能处理的指令数） 1. 运算器 运算器是完成算术和逻辑运算的部件，又称算术和逻辑运算单元。计算机所完成的全部运算都是在运算器中进行的。运算器的核心部件是: (1) 运算逻辑部件 (2) 寄存器部件 2. 控制器 控制器负责从存储器中取出指令，并对指令进行译码，并根据指令译码的结果，按指令先后顺序，负责向其它各部件发出控制信号，保证各部件协调一致地完成各种操作。 控制器主要由以下部件组成： ① 程序计数器。存放下一条将要执行的指令在内存中的地址； ② 指令寄存器。保存现在正在执行的指令； ③ 指令译码器。用来识别指令的功能，分析指令的操作要求； ④ 时序部件。产生计算机工作中所需的各种定时控制信号，对各种微操作控制信号进行定时控制。以协调各部件的工作顺序； ⑤ 微操作控制电路。一条指令的执行可以分解为一系列不可再分的微操作命令信号，即微命令，以指挥整个计算机有条不紊地工作。 3.2.2 高级CPU技术 1、超线程技术 2、双核心CPU技术 ：由于组建双CPU系统的高成本和复杂性，桌面电脑上并未得到普及。用“双核”技术，就是在单个CPU中真正集成两个物理运行核心，因此在实际使用中，这种“双核心处理器”和使用两个独立CPU组建的系统在工作原理和性能上基本没有区别。目前，CPU已从双核向4核、8核和多核方向发展。 3.2.3 主板 主板是电脑中各种设备的连接载体。它提供CPU、各种接口卡、内存条和硬盘、软驱、光驱的插槽，其它的外部设备也会通过主板上的I/O接口连接到计算机上。早期的PC机主板是将快速的CPU、中速的内存、慢速的外设都连接在一条总线上，使系统的总体性能得不到优化。 3.2.4 内存储器 内存储器 (简称内存)，由半导体材料构成。内存分为只读存储器和随机读写存储器。 1. 只读存储器ROM • 特点：存储的信息只能读出，不能随机改写或存入，断电后信息不会丢失，可靠性高。 • ROM分类 (1) 掩膜式 ROM(Mask ROM) (2) 可编程 PROM(Programmable ROM) (3) 可擦除 EPROM (Erasable PROM) (4) 电可擦 EEPROM(Electrically EPROM) (5) 快擦写 ROM(Flash ROM) 2. 随机存储器RAM 特点：用于存放原始数据、中间结果、最终结果。开机前是空的，断电后数据消失。 RAM 分类: (1) SRAM：静态RAM。不需要充电来保持数据完整性，成本高且集成低，一般做高速缓冲存储器。 (2) DRAM：动态RAM。需要定时充电来保持数据的完整性，通常所说的“内存”主要由它构成。一般指以下两种类型： ① SDRAM---同步动态存储器 ② DDR---双倍速率内存 (DDR2---四倍速率内存\DDR3) 3. Cache(高速缓存 ) Cache是一种高速缓冲存储器，是为了解决CPU与主存之间速度不匹配而采用的一种重要技术。其中片内Cache是集成在CPU芯片中，片外Cache是安插在主板上。高速缓冲存储器的存取速度比主存要快一个数量级，大体与CPU的处理速度相当。 4.多级缓存 最早的CPU缓存容量很低。当集成在CPU内核中的缓存已不能满足CPU的需求，而制造工艺上的限制又不能大幅度提高缓存的容量时，出现了集成在与CPU同一块主板上的缓存，此时把CPU内核集成的缓存称为一级缓存，而外部的称为二级缓存。 现在多数CPU内部也有二级缓存，于是二级缓存又可分为内部二级缓存和外部二级缓存。较高端的CPU中还会带有三级缓存 。 6. 存储器的层次结构 既要速度快，又要求容量大，同时价格又要求合理，在目前技术条件下这三项指标很难用单一种类的存储器来实现。折衷的方法是采用层次结构。 3.2.5 总线 总线：是一组连接各个部件的公共通信线路，是计算机内部传输指令、数据和各种控制信息的高速通道，是计算机硬件的一个重要组成部分。 ① 地址总线。传输的是地址信号，一般是单向传输。当CPU需要访问某个外设时，它向地址总线发出相应外设的地址信号，以选择某个外设。 ② 数据总线。传输的是数据，一般是双向传输。CPU进行“读”时，数据由外设流向CPU，当CPU进行“写”时，数据由CPU流向外设。 ③ 控制总线。有的是CPU向内存或外部设备发出的信号；有的是内存或外部设备向CPU发出的信号。对每条控制线而言信号是单向传送，但作为整体是双向的。 总线按处于计算机硬件系统中的位置来分： ① 片内总线(又称内部总线)。是指CPU芯片内部的总线。 ② 片间总线(又称局部总线)。是主板上各外围芯片与CPU之间的总线，用于芯片一级互连。 ③ 系统总线(又称输入/输出总线)。是微机中各插件板与系统主板之间的总线，用于插件板一级的互连。 ④ 外部总线(又称通信总线)。是微机和外部中低速外部设备之间或外设与主机连接的总线。 系统总线标准 系统总线标准大致可分为ISA总线、PCI总线、PCI Express三个阶段。 ① ISA总线。是最早的8位系统总线。后来扩展到16位。ISA是现代个人计算机的基础。 ② PCI总线。主要特点是传输速度高，广泛应用于现代微机中。 ③ AGP总线。专为系统中一块图形显示卡设计的总线。 ④ PCI Express总线。是新一代的总线接口。 外部总线标准 常见的I/O总线： ① USB总线 属高速串行接口总线。该总线最多可连接127个设备，支持热拔插，支持即插即用，所以USB接口已经成为许多外设的标准接口。USB有两个规范，即USB1.1和USB2.0。 ② IEEE1394总线 属高速串行接口总线，主要用于连接DV产品。 3.2.6 接口 I/O接口是连接主机和外部设备之间的逻辑部件，由I/O接口电路、连接器(一般为连接电缆)和接口软件(即设备驱动程序)组成。 根据I/O接口是否内嵌在主板中，可将I/O接口分为内置I/O接口和外置I/O接口两类。 (1) 内置I/O接口 将I/O接口电路内嵌在主板中，由主板提供外设接口电路插座，如键盘接口、鼠标接口、USB接口、串口、并口及软硬盘接口等。 (2) 外置I/O接口 将I/O接口集成到一块独立的电路板(接口卡)上，接口卡必须插在总线扩展插槽上(如PCI、PCI Express插槽等) 。 3.3 外部存储器 外部存储器通常用来存放需要长期保存的各种程序和数据。当需要执行或处理这些程序和数据时，必须将其先调入到内存中然后再被CPU处理， 所以外存实际上属于输入／输出设备。 目前微机常用的外存储器主要有软盘、硬盘、光盘、 U盘等。 3.3.2 硬盘 硬盘是微机最重要的外部存储器，常用于安装微机运行所需的系统软件和应用软件，以及存储大量数据。 (1) 硬盘存储格式 硬盘是由多个涂有磁性物质的金属圆盘盘片组成，盘片的每一面都有一个读写磁头，在对硬盘进行格式化时，将对盘片进行划分磁道和扇区，对于大容量的硬盘还将多个扇区组织起来成为一个块——“簇”，簇成为磁盘读写的基本单位。有的簇是一个扇区，有的有好几个扇区，可以在格式化的参数中给定。 (2) 硬盘性能指标 ① 硬盘的容量。现在微机上所配置的硬盘一般在200GB以上。 ② 硬盘的转速。硬盘的转速越快，硬盘寻找文件的速度也就越快。现在的主流硬盘转速一般为7200rpm以上。 ③ 缓存。硬盘自带的缓存，缓存越多，越能提高硬盘的访问速度。 (3) 硬盘接口 硬盘接口分为IDE、SATA、SCSI和光纤通道四种，IDE接口硬盘多用于家用产品中，SATA是种新生的硬盘接口类型。 (4) 硬盘格式化 ① 硬盘低级格式化。主要是对一个新硬盘划分磁道和扇区。 ② 硬盘分区。把硬盘划分为成若干个相对独立的逻辑分区 。 ③ 硬盘高级格式化。高级格式化主要是对指定的硬盘分区进行初始化，建立文件分配表以便系统按指定格式存储文件。。 3.3.3 光盘存储器 光盘简称CD(Compact Disc)是利用塑料盘片表面凹凸不平的特征，通过光的反射来记录和识别二进制的0、1信息。 光盘的分类: 1．只读型光盘 只读光盘中的数据是在制作时写入的，用户只能读数据，而不能写入或修改光盘中的数据。音频光盘CD-DA、数据光盘 CD-ROM、 VCD、DVD等都属于只读光盘。 2．一次写入光盘 这种光盘允许一次写入数据，但不能修改和擦除数据， 如 CD-R。 3．可擦写光盘 这种光盘可多次写入或修改数据，如CD-RW。 从光盘中读取数据的设备我们称之为光驱。光驱把经过聚焦后的激光投射到光盘上，利用光盘的凹坑或非凹坑边缘反射的激光强度不同而将其表示为不同的电信号。 光驱倍数是指光盘的数据传输率（150KB/s为单倍，以此类推）。CD-ROM光盘驱动器能读除DVD以外的所有光盘。而DVD光盘要用DVD驱动器才能读，DVD驱动器兼容CD-ROM所能读的光盘。 DVD光盘 DVD盘片的物理规格与CD盘片是一样的，CD盘只使用一个面记录一层的信息，而DVD盘可分为单面单层、单面双层、双面单层以及双面双层 4 种结构。 DVD按用途可分为以下几类： 应用最广的是DVD-Video 格式，用于存储影音信息。此外还有DVD-ROM(只读DVD)、 DVD-Audio(音频DVD)、 DVDR(可写DVD)、 DVD-RAM或DVDRW (可擦写DVD)。 另外，还有蓝光高清DVD光盘。 光盘刻录机 是指可读写的光盘驱动器。包括CD和DVD两种刻录机。 ① CD刻录机既有CD-ROM光驱的功能，也能够向刻录CD光盘。其传输速率一般标注为 A/B/C 的形式（如 20/10/40），其中A表示写CD-R盘的倍速，B表示写CD-RW盘的倍速，C表示读盘的倍速。 ② DVD刻录机既具有DVD-ROM光驱的功能，也能够刻录DVD光盘和CD光盘。 3.3.4 USB盘 通过USB接口与电脑连接，实现即插即用，具有小巧、可靠、易于操作等特点。闪存盘中无任何机械式装置，抗震性能强。U盘中的存储模块其实就是Flash-ROM。 移动硬盘一般由笔记本硬盘和硬盘盒组成。 3.4.1 输入设备 (1) 键盘 (2) 鼠标 (3) 扫描仪 3.4.2 输出设备 (1) 显示器 (2) 打印机 (1) 显示器 CRT显示器在工作时，电子枪发出电子束轰击荧光粉层上的某一点，使该点发光，每个像素有红、绿、蓝三基色组成，通过对三基色的强度的控制就能合成各种不同颜色。 液晶显示器LCD的优点在于： ① 图像稳定。由于只有在画面内容发生变化时才需要刷新，因此没有闪烁感； ② 液晶底板整体发光，真正的完全平面； ③ LCD显示器基本上没有辐射； ④ 能耗低。约为CRT显示器的三分之一。 (2) 打印机 常用的有针式打印机、喷墨打印机和激光打印机等。 ① 针式打印机特点。利用钢针击打色带把色带上的墨打印在纸上形成文本或图形。缺点是打印质量差、速度慢、噪声大；优点是可以打多联纸，耗材相对较便宜。 ② 喷墨打印机特点。打印头上有若干个喷头，打印时，墨水以每秒近万次的频率喷射到纸上。与其它两类打印机相比，在打印质量、速度、噪声及成本方面处于中等层次。 ③ 激光打印机特点。利用激光可以形成很细的光点，将碳粉固着在纸上，加热后碳粉固定在纸上，最后印出文字和图片。优点是打印速度快、噪音低、质量好，缺点是价格及打印成本较高。 对三种打印机的打印效果对比来说，激光最好，喷墨其次，而针式相对较差。 3.4.3 其他外部设备 (1) 多媒体设备（第七章） (2) 调制解调器 3.5.1 计算机指令系统 指令：是指计算机执行特定操作的命令。是程序设计的最小语言单位。 指令构成：操作码+地址码 指令系统：是指一台计算机所能执行的全部指令的集合。不同型号的计算机有不同的指令系统。它反映了计算机的处理能力。 可分为以下四个步骤： 开始执行程序时，先给程序计数器PC赋以第一条指令的首地址0100H。 ①取指令 按照计数器中的地址从内存中取出指令(070270H)，并送往指令寄存器。然后计数器PC自动加1指向下一指令地址。 ②分析指令 对指令寄存器中存放的指令(070270H)进行分析，由译码器对操作码 (07H)进行译码，由地址码(0270H)确定操作数地址。 ③执行指令 取出操作数，去完成该指令所要求的操作。例如做加法指令，取内存单元(0270H)的值和累加器的值相加，结果还是放在累加器。 ④一条指令执行完成，再回到①取指令阶段开始下一指令的执行。 3.5.3 计算机硬件系统的性能指标 (1) CPU的主频。主频越高，单位时间内完成的指令数也越多，CPU工作的速度也就越快。 (2) 字长。字长越长，计算机一次所能处理信息的位数就越多，表现为计算机的运算速度越快。 (3) 运算速度。它是一项综合性的性能指标。是指计算机每秒钟执行的指令数，单位是MIPS，即每秒百万条指令。 (4) 内存容量。内存容量越大，一次读入的程序、数据就越多，计算机的运行速度也就越快。 (5) 内存存取速度。内存连续启动两次独立的“读”或“写”操作所需的最短时间，称为存取周期。 (6) I/O速度。I/O的速度是指CPU与外部设备进行数据交换的速度。目前系统性能的瓶颈越来越多地体现在I/O速度上。 第四章 计算机操作系统 操作系统是配置在计算机硬件上的第一层软件，是控制计算机所有操作的软件。 4.1.1 操作系统的概念 　　操作系统：是管理计算机软硬件资源的程序，同时它又是用户与计算机硬件的接口。 4.1.2 操作系统的构成 进程管理、内存管理、文件管理、输入/输出系统管理、二级存储管理、联网、保护系统、命令解释程序 4.2.1 操作系统的类别 经过多年的发展，操作系统多种多样。为提高大型计算机系统的资源利用率，操作系统从批处理，多道程序发展为分时操作系统。为了满足计算机处理实时事件的需要，就有实时操作系统。为适应个人计算机系统的需要又出现了桌面操作系统。为适应并行系统的需要，就有了多处理器操作系统。为满足网络和分布计算的需要，就有了网络操作系统和分布式操作系统。此外，还有为支持嵌入式计算机的嵌入式操作系统。 4.2.2 计算环境 从计算机诞生至今，操作系统总是与具体的计算环境相联系，它总是在某种计算环境中设置和使用，就目前来看计算环境可分为以下几类： 1. 传统计算环境 指普通意义下的独立或联网工作的通用计算机所形成的计算环境。 2.基于Web的计算环境 互联网的普及使得计算被延伸到Web环境。 3.嵌入式计算环境 嵌入式计算机就是安装在某些设备上的计算部件，其计算相对比较简单。 4.3.1 进程的概念 什么是进程？它与程序有什么区别？ 程序：用户为完成某一个特定问题而编写的操作步骤。 进程：可以简单地被看作是正在执行的程序。但是进程需要一定的资源来完成它的任务(例如CPU时间、内存、文件和I/O设备) 。　 进程与程序的区别在于进程是动态的、有生命力的，而程序是静态的。一个程序加载到内存，系统就创建一个进程，程序执行结束后，该进程也就消亡了。 在计算机中，由于多个程序共享系统资源，就必然引发对CPU的争夺。如何有效地利用CPU资源，如何在多个请求CPU的进程中选择取舍，这就是进程管理要解决的问题。 4.3.3 进程控制块PCB(略) 为了控制进程，操作系统就必须知道进程存储在哪里，以及进程的一些属性。 进程控制块是进程实体的一部分，是操作系统中记录进程的专用数据结构。一个新的进程创建时，操作系统就会为该进程建立一个进程控制块。操作系统根据进程控制块对并发进程进行控制。 4.3.4 进程调度及队列图 计算机采用多道程序的目的是使得计算机系统无论何时都有进程运行，单处理器的计算机在某一时刻CPU只能运行一个进程，如果存在多个进程，其它进程就需要等待CPU空闲时才能被调度执行。 当一个进程处于等待或CPU时间片用完时，操作系统就会从该进程中拿走CPU控制权，然后再交给其它进程使用，这就是进程的调度。 4.3.5 CPU调度及其准则 在设计CPU调度程序时主要应该考虑的准则包括： (1) CPU使用率。让CPU尽可能地忙。 (2) 吞吐量。让CPU在一定时间内完成的进程数尽可能多。 (3) 周转时间。让进程从提交到运行完成的时间尽可能短。 (4) 等待时间。让进程在就绪队列中等待所花时间之和尽可能短。 (5) 响应时间。让进程从提交请求到产生第一响应之间的时间尽可能短。 主要的CPU调度算法 1、 先到先服务 2、 最短作业优先 3、 优先权 4、 轮转 5、 多级队列 6、 多级反馈队列 4.3.7 进程的同步与互斥 进程的同步就是指相互协作的进程不断调整它们之间的相对速度，以实现共同有序地推进。 换句话说,在操作系统中，允许多个进程并发运行。然而，有些进程之间本身存在某种联系，它们在系统中需要一种协作，以保证进程能正确有序地执行并维护数据的一致性。 在操作系统中，可能存在着多个进程。而系统中一些资源一次只允许一个进程使用，这类资源被称为临界资源。在进程中访问临界资源的那段程序称为临界区。当一个进程进入临界区执行时，其它进程就不允许进入临界区执行，否则就会导致错误结果。由此得出: 多个进程并发执行时，只允许一个进程进入临界区运行，这就是进程的互斥。 例如：多个进程在竞争使用打印机时表现为互斥。 一个文件可供多个进程共享，其中有一个进程在写操作时，其它进程则不允许同时写或读，表现为互斥。 4.3.8 进程的死锁及处理方法 　　在多道程序设计中，多个进程可能竞争一定数量的资源。一个进程在申请资源时，如果所申请资源不足，该进程就必须处于等待状态。如果所申请的资源被其它进程占有，那么进程的等待状态就可能无法改变，从而形成进程之间相互一直等待的局面，这就是死锁。　 竞争资源引起死锁 引起死锁的四个必要条件： • 　互斥：任一时刻只能有一个进程独占某一资源，若另一进程申请该资源则需延迟到该资源释放为止。 　 • 　占有并等待：即该进程占有部分资源后还在等待其它资源，而该资源被其它进程占有。 　 • 　非抢占：某进程已占用资源且不主动放弃它所占有的资源时，其它进程不能强占该资源，只有等其完成任务并释放资源。　 • 　循环等待：在出现死锁的系统中，一定存在这样一个进程链，其中每个进程至少占有其它进程所必需的资源，从而形成一个等待链。 处理死锁问题的三种方式： • 　可使用协议预防和避免死锁，确保系统从不会进入死锁状态。 • 可允许系统进入死锁状态，然后检测出死锁状态，并加以恢复。 • 可忽略进程死锁问题，并假装系统中死锁从来不会发生。即没有必要把精力花在小概率事件上。 处理死锁优先考虑的顺序：先预防和避免　　再检测和恢复 4.4 内存管理 内存是现代操作系统的核心。内存用于容纳操作系统和各种用户进程，是可以被CPU和I/O设备所共同访问的数据仓库。计算机的所有程序运行时都要调入内存。 内存管理的主要工作是：为每个用户进程合理地分配内存，以保证各个进程之间在存储区不发生冲突；当内存不足时，如何把内存和外存结合起来，给用户提供一个比实际内存大得多的虚拟内存，使得程序能顺利执行。内存管理包括内存分配、地址映射、内存保护和扩充。 4.4.1 用户程序执行与地址映射 用户编写程序在执行前，需要多个处理步骤，这些步骤可将源程序转变为二进制机器代码，然后在内存中等待执行。当然有时并非每个步骤都是必需的。 通常，将指令和数据的地址映射成内存地址可以发生在以下三个执行阶段。(了解) 1.编译阶段:如果在编译时就知道进程将在内存中的什么位置驻留，那么编译器就可以直接以生成绝对地址代码。 2.加载阶段: 不知道进程将驻留在什么位置，那么编译器就必须生成程序的逻辑地址，在加载阶段再转变成内存的绝对地址。 3.执行阶段:如果进程在执行时可以从一个内存段移动到另一个内存段，那么进程的绝对地址映射工作只能延迟到执行时进行。 4.4.2 物理地址空间与逻辑地址空间 物理地址:是计算机内存单元的真实地址。 物理地址空间:由物理地址所构成的地址范围。 逻辑地址:用户程序地址，从0开始编址。 逻辑地址空间:由逻辑地址所构成的地址范围。 地址映射:用户程序在运行时要装入内存，这就需要将逻辑地址变换成物理地址，这个过程称为地址映射，也称重定位。 　　用户编写的源程序是不考虑地址的，源程序经CPU编译后产生逻辑地址。从CPU产生的逻辑地址转换为内存中的物理地址的映射是由计算机中被称为内存管理单元的硬件设备来实现的，将逻辑地址与内存管理单元中存放的内存基址相加就得到了物理地址。 　 4.4.3 进程使用内存的交换技术 　 为了更加有效地使用内存，进程在不运行时，可以暂时从内存移至外存上，直到需要再运行时再重新调回到内存中。也就是说内存管理程序可将刚刚运行过的进程从内存中换出以释放出占用的内存空间，然后将另一个要运行的进程占据前者释放的内存空间。 计算机工作时，为了将多个进程放入到内存就必须考虑在内存中如何放置这些进程。 4.4.4 内存分配方案-连续 对于连续内存分配方案，开始时所有内存是一个大的孔，随着内存分配的进行就会形成位置上不连续的大小不一的孔。在连续内存分配方案中，当新进程需要内存时，为其寻找合适的孔，实现内存分配 。该方案为每个进程所分配的内存物理地址空间在位置上是连续的。 4.4.5 内存分配方案-分页式 分页管理基本思想： o 内存物理地址空间划分为若干个大小相等的块(页框) o 进程的逻辑地址空间也划分为同样大小的块(页面) o 内存分配时每个页面对应地分配一个页框，而一个进程所分得页框在位置上不必是连续的。 页表：操作系统为每个用户程序建立一张页表，该表记录用户程序的每个逻辑页面存放在哪一个内存物理页框。 4.5 虚拟内存方案 　　虚拟内存是一个容量很大的存储器的逻辑模型，它不是任何实际的物理存储器，它一般是借助硬盘来扩大主存的容量。 　　虚拟内存：对于一个进程来讲，如果仅将当前要运行的几个页面装入内存便可以开始运行，而其余页面可暂时留在磁盘上，待需要时再调入内存，并且调入时也不占用新的内存空间，而是对原来运行过的页面进行置换。这样，就可以在计算机有限的内存中同时驻留多个进程并运行。而对用户来讲感觉到系统提供了足够大的物理内存，而实际上并非真实的，这就是虚拟内存。 4.5.2 页面请求与页面置换算法 页面请求:在虚拟内存技术中，进程运行时并没有将所有页面装入到内存，在运行过程中进程会不断地请求页面，如果访问的页面已在内存，就继续执行下去；但如果要访问的页面尚未调入到内存，便请求操作系统将所缺页面调入内存，以便进程能继续运行下去。 页面置换:如果请求页面调入内存时，分配给该进程的页框已用完，就无法立即装入所请求页面。此时，必须将进程中的某个页面从内存的页框调出到磁盘上，再从磁盘上将所请求的页面调入到内存的该页框中。这个过程叫做页面置换。 4.6 文件管理 文件管理是操作系统最常见的组成部分。文件管理主要提供目录及其文件的管理。　 4.6.1 文件的概念 文件：保存在外部存储设备上的相关信息的集合。 文件命名：文件主名+扩展名 　　文件存取属性：　 • 只读：只允许授权用户进行读操作。 • 读写：只允许授权用户进行读和写的操作。 • 文档：允许任何用户进行读写操作。 • 隐藏：不允许用户直接看到文件名。 文件系统：是对文件进行操作和管理的软件，是用户与外存之间的接口。这个系统将所有文件组织成目录结构保存在外存，一个文件对应其中的一个目录条。目录条记录有文件名、文件位置等信息。 　　操作系统对文件的基本操作包括： 创建文件、文件写、文件读、文件重定位、文件删除、文件截短。 对文件的其它操作包括：文件复制、重命名、更改属性等。 4.6.2 文件的物理结构和逻辑结构 文件结构分物理和逻辑结构。其中物理结构是文件在外存上的存储组织形式，它与具体的存储设备有关。文件逻辑结构是指用户能直接感受到的文件组织结构，它与具体的存储设备无关。 文件的逻辑结构　　 无结构文件　　 有结构文件　　 流式文件　　 索引顺序文件　　　 顺序文件　　　 索引文件　　　 无结构的流式文件：是一维的、连续的、无结构的字符序列，可以看成是由一条无结构的记录组成的文件。 有结构的记录式文件：是带有结构的、性质相同的记录的集合。 顺序文件：文件所包含的一系列记录按照某种顺序依次连续存储。 索引文件：由主文件和索引表构成。可以实现快速访问。 　　(1