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1、武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院计算机程序员考试计算机程序员考试/竞赛竞赛知识点串讲知识点串讲武汉理工大学武汉理工大学计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 吴吴吴吴 业业业业 福福福福 武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院计算机组成与系统结构计算机组成与系统结构武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院1 1 计算机系统的组成计算机系统的组成武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院计算机系统计算机系统硬件系统硬件系统软件系统软件系统计算机中看得见，计算机中看得见，摸得着的实体部件。摸得着的实体部件。人们编写的各种各人们编写的各种各样程序的总和样程序的总和。武汉理工
2、大学计算机学院武汉理工大学计算机学院计算机硬件系统操作系统操作系统其他系统软件其他系统软件应用软件应用软件硬件和软件的层次关系：硬件和软件的层次关系：武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院冯冯 诺依曼诺依曼计算机应采用计算机应采用二进制运算二进制运算以及以及存储程序、程序控制存储程序、程序控制的的工作方式工作方式 将表示计算步骤的将表示计算步骤的程序程序同参加计算的同参加计算的数据数据一起存储在存一起存储在存储器中，由储器中，由计算机执行程序计算机执行程序，自动完成计算过程。，自动完成计算过程。五大部件组成计算机系统五大部件组成计算机系统现代计算机的范式现代计算机的范式 冯冯 诺依曼结构
3、诺依曼结构武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院计计算算机机硬硬件件系系统统主机主机CPU内存储器内存储器运算器运算器控制器控制器中央处理器中央处理器外部设备外部设备外存储器外存储器硬盘硬盘软盘软盘光盘光盘输入设备输入设备键盘键盘鼠标鼠标扫描仪扫描仪、触摸屏、触摸屏显示器显示器打印机打印机绘图仪绘图仪输出设备输出设备武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院内存储器内存储器运算器运算器外存储器外存储器输入设备输入设备输出设备输出设备控制器控制器数据信号数据信号控制信号控制信号注：注：冯冯冯冯 诺依曼型计算机的组织结构及工作过程诺依曼型计算机的组织结构及工作过程诺依曼型计算机的组织结构及
4、工作过程诺依曼型计算机的组织结构及工作过程1输入2存储3处理处理4输出输出CPU武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院CPUCPU的功能的功能指令控制指令控制（控制器）（控制器）操作控制操作控制（控制器）（控制器）时间控制时间控制（控制器）（控制器）数据控制数据控制（运算器）（运算器）CPU执行程序并根据执行程序并根据程序程序中的中的指令指令控制计算机各个部件工作控制计算机各个部件工作 CPU要将指令控制功能转换成具要将指令控制功能转换成具体的操作信号发往各个部件体的操作信号发往各个部件 CPU对各个操作的时间进行严格控制，对各个操作的时间进行严格控制，以便部件协调工作以便部件协调工作C
5、PU对数据进行算术和逻辑运算对数据进行算术和逻辑运算1CPU武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院指令：指令：是指示计算机完成某种操作的命令是指示计算机完成某种操作的命令 (1)组组 成：成：opcode+opdata(2)指令系统：指令系统：(3)指令分类：按功能指令分类：按功能数据传送指令数据传送指令算术逻辑运算指令算术逻辑运算指令 程序控制指令程序控制指令 状态管理和控制指令状态管理和控制指令 输入输入/输出指令输出指令程序：程序：是为计算机解决问题而编排的指令序列是为计算机解决问题而编排的指令序列武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院取一条指令执行该指令指令周期指令周期取出
6、并执行一条指令的时间机器周期即CPU周期CPU周期CPU周期CPU周期CPU周期CPU周期从内存中读取一个指令字的最短时间时钟周期时钟周期时钟周期时钟周期时钟周期处理操作的最小时间单位，决定了计算机的运行速度时钟频率时钟频率计算机的主频，是CPU提供的有规则电脉冲信号。取指令周期取指令周期执行指令周期执行指令周期分析指令武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院 靠电信号支持，断电之后存储内容将全部丢失（1 1）内存储器）内存储器：1）随机存储器（RAMRAM）：在计算机运行过程中，存储数据和程序的地方。特点：可以读取，也可以写入。2）只读存储器（ROMROM）：计算机生产商一次性写入的机器
7、性能。如：BIOS程序和数据特点：只能读取，不能写入。信息将永久保存。2 2存储器存储器存储器按其用途可分为主存储器和辅助存储器，主存储器又称内存储器（简称内存），辅助存储器又称外存储器（简称外存）。武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院内存储器的编址内存储器的编址：地地址址寄寄存存器器存储单元内容存储单元内容00000H00001H00100H 01001100FFFFFH 地址地址DBAB内存地址内存地址内存地址：内存地址：为了有效地利用存储器，人们将存储器划分为许多个存储单元，并将每一个单元作为存取数据操作的基本单位。为了区分不同的存储单元，将它们进行编号，以便在存取操作时能够准确
8、地定位。这种内存单元的编号内存单元的编号称为称为内存地址。内存地址。（2）外存储器（辅助存储器）外存储器（辅助存储器）l外存通常是磁性介质或光盘，像硬盘，软盘，磁带，CD等l能长期保存信息，并且不依赖于电来保存信息l由机械部件带动，速度与CPU相比就显得慢的多。l外存储器一般不直接与微处理器打交道，外存中的数据应先调入内存，再由微处理器进行处理。l为了增加内存容量，方便读写操作，有时将硬盘的一部分当做内存使用，这就是虚拟内存。l虚拟内存利用在硬盘上建立“交换文件”的方式，把部分应用程序（特别是己闲置的应用程序）所用到的内存空间搬到硬盘上去，以此来增加可使用的内存空间和弹性；当然，容量的增加是以
9、牺牲速度为代价的。l交换文件是暂时性的，应用程序执行完毕便自动删除。武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院3外部设备外部设备武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院触摸屏。它是一种定位设备，用户可以直接用手向计算机输入坐标信息，它和鼠标、键盘一样，是一种输入设备。触摸屏具有坚固耐用、反应速度快、节省空间、易于交流等许多优点。利用这种技术，只要用手指轻轻地指碰计算机显示屏上的图符或文字就能实现对计算机操作。武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院扫描仪扫描仪 扫扫描描仪仪是是常常用用的的图图像像输输入入设设备备，它它一一般般通通过过RS232或或USB口口与与主主机机相相连连。扫扫
10、描描仪仪的的工工作作原原理理是是这这样样的的：它它把把要要输输入入的的图图像像划划分分成成若若干干个个点点，变变成成一一个个点点阵阵图图形形，对对这这些些点点依依次次获获得得他他们们的的灰灰度度值值和和色色彩彩编编码码值值。通通过过光光电电部部件件就就可可以以将将一一幅幅图图形形转转换换成成为为一一个个数数字字信信息息的的阵阵列列，以以文文件件的的形形式式存存入入计计算算机机中中。扫扫描描仪仪的的规规格格档档次次以以扫扫描描的的幅幅面面和和分分辨辨率率来来划分。划分。武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院接口是介于主机和外设之间的缓冲电路和相应软件接口是介于主机和外设之间的缓冲电路和相应
11、软件。I/O接口的功能包括数据缓冲、接收和执行接口的功能包括数据缓冲、接收和执行CPU的命令、信的命令、信号转换、设备选择、中断管理、数据宽带交换和可编程等。号转换、设备选择、中断管理、数据宽带交换和可编程等。I/OI/O接口接口CPU接口接口外设外设数据数据控制信号控制信号控制信号控制信号状态信号状态信号状态信号状态信号数据数据 可能是单向的可能是单向的武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院常见接口插槽常见接口插槽PS2鼠标鼠标PS2键盘键盘千兆网千兆网10/100M网卡网卡USB并行口并行口显示器接口显示器接口13941394a麦克风麦克风/音箱音箱/线入接口线入接口MIDI/游戏接
12、口游戏接口串行口串行口武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院 CPU对对I/O端口的编址方式分为端口统一编址和端口独立编址。端口的编址方式分为端口统一编址和端口独立编址。武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院 I/OI/O接接口口又又称称设设备备控控制制器器或或适适配配器器。计计算算机机的的接接口口通通过过系系统统总总线线实实现现主主机机与与外外部部设设备备之之间间的的数据传送。数据传送。武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院 总总线线的的类类型型与与标标准准PCPC总线总线8位总线、数据传输速率位总线、数据传输速率1MB/s、工作频率、工作频率ZISAISA总线总线工业标准
13、结构16位总线、数据传输速率位总线、数据传输速率8MB/s、工作频率、工作频率ZEISAEISA总线总线扩展工业标准结构32位总线、数据传输速率位总线、数据传输速率33MB/s、工作频率、工作频率33MHZ微通道结构微通道结构MCAMCA总线总线支持更高的支持更高的CPU、数据传输速率、数据传输速率40MB/s、PCIPCI总线总线外部设备互联准准64位总线、数据传输速率位总线、数据传输速率133528MB/s、工作频率、工作频率33MHZ或或66MHZ总线标准是指计算机部件各生产厂家都需要遵守的系统总线要求，从而使不同厂家生产的部件能够互换。微机系统采用的总线标准种类很多，但目前采用最多的是
14、工业标准结构ISA总线、扩展工业标准结构EISA总线、微通道结构MCA总线、VESA总线和外部设备互联PCI总线等。武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院AA,B,BCC,任任何何一一部部件件的的信信息息都都可可以以“搭搭乘乘”BUSBUS传传送送。然然而而任任一一瞬瞬间间，总总线线上上只只能能出出现现一一个个部部件件发发往往另另一一部部件件的的信信息息，这这意意味味着着总总线线只只能能分分时时使使用用，这这是是需需要要加加以以控控制制的的。(所所谓谓总总线线(Bus)，一一般般指指通通过过分分时时复复用用的的方方式式，将将信信息息以以一一个个或或多多个个源源部部件件传传送送到到一一个个
15、或或多多个个目目的部件的一组传输线。是电脑中传输数据的公共通道。的部件的一组传输线。是电脑中传输数据的公共通道。)总总线线是是一一组组物物理理导导线线，并并非非一一根根，根根据据总总线线上上传传送送信信息息的的不不同，分为：同，分为：地址总线地址总线、数据总线数据总线和和控制总线控制总线。总线总线 （BUS）武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院总线分类总线分类按总线上传输的信息的不同总线上传输的信息的不同:地址总线地址总线,数据总线数据总线,控制总线控制总线按总线的位置和功能的不同总线的位置和功能的不同:内部总线内部总线,系统总线系统总线,外部总线外部总线按照传输数据的方式划分：按照传
16、输数据的方式划分：可以分为串行总线和并行总线。串行总线中，二进制数据逐位通过一可以分为串行总线和并行总线。串行总线中，二进制数据逐位通过一根数据线发送到目的器件；并行总线的数据线通常超过根数据线发送到目的器件；并行总线的数据线通常超过2根。常见的根。常见的串行总线有串行总线有SPI、I2C、USB及及RS232等。等。按照时钟信号是否独立按照时钟信号是否独立:可以分为同步总线和异步总线。同步总线的时钟信号独立于数据，而可以分为同步总线和异步总线。同步总线的时钟信号独立于数据，而异步总线的时钟信号是从数据中提取出来的。异步总线的时钟信号是从数据中提取出来的。SPI、I2C是同步串行总是同步串行总
17、线，线，RS232采用异步串行总线。采用异步串行总线。武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院用用来来传传送送CPUCPU输输出出的的地地址址信信号号，确确定定被被访访问问的的存存储单元、储单元、I/OI/O端口。端口。地址总线的条数决定地址总线的条数决定CPUCPU的寻址能力。的寻址能力。地址总线地址总线 AB(Address Bus)AB(Address Bus)武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院 10 10根根 2 210 10 1024B 1K 1024B 1K 2020根根 2 220 20 1024K 1M1024K 1M3232根根 2 232 32 2 22 2
18、2 230 30 4G4G3636根根 2 236 36 2 26 6 2 230 30 64G64G地址总线地址总线 AB(Address Bus)AB(Address Bus)武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院数据总线数据总线 DB(Data Bus)DB(Data Bus)用用来来在在CPUCPU与与存存储储器器、I/OI/O接接口口之之间间进进行行数数据据传传送送数据总线的条数决定一次可最多传送数据的宽度。数据总线的条数决定一次可最多传送数据的宽度。8 8 根根 一次传送一次传送 8 8位位16 16 根根 一次传送一次传送 1616位位 32 32 根根 一次传送一次传送
19、3232位位 64 64 根根 一次传送一次传送 6464位位武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院控制总线控制总线CB(Control Bus)CB(Control Bus)用于传送各种控制信号。用于传送各种控制信号。有的是有的是CPUCPU发出，如读控制信号、写控制信号；发出，如读控制信号、写控制信号；有的是发向有的是发向CPUCPU，如外设向，如外设向CPUCPU发出的中断申请信号。发出的中断申请信号。武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院计算机的软件系统计算机的软件系统 系系统统软软件件：系系统统软软件件通通常常是是指指对对计计算算机机进进行行管管理理、维护和使用计算机资源
20、的程序。维护和使用计算机资源的程序。操操作作系系统统、程程序序设设计计语语言言和和语语言言处处理理程程序序、DBMS应应用用软软件件：应应用用软软件件通通常常是是指指用用户户利利用用计计算算机机及及其其系统软件编制的、解决各种实际问题的程序。系统软件编制的、解决各种实际问题的程序。字处理软件、图像处理软件字处理软件、图像处理软件武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院2 2 计算机体系结构计算机体系结构武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院计算机体系结构分类弗林分类法：1966年，弗林提出按指令流和数据流的多倍性分类。多倍性是指在系统性能瓶颈部件上处于同一执行阶段的指令或数据的最大可
21、能个数。计算机体系结构分为四类SISD、SIMD、MISD、MIMD。SISD：冯诺依曼体系结构其它：非冯诺依曼体系结构武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院单指令流单数据流 SISD(SingleInstructionSingleDatastream)传统的顺序处理机(串行机)-冯冯冯冯 诺依曼型计算机诺依曼型计算机诺依曼型计算机诺依曼型计算机；指令部件一次只对一条指令译码并且只对一个执行部件分配数据武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院单指令流多数据流 SIMD(SingleInstructionMultipleDatastream)阵列处理机、并行处理机、向量处理机；多个PU
22、按一定方式互连，在同一个CU控制下，对各自的数据完成同一条指令规定的操作；从CU看指令顺序执行，从PU看数据并行执行。武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院多指令流单数据流 MISD(MultipleInstructionSingleDatastream)几条指令对同一个数据进行不同的处理武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院多指令流多数据流MIMS(MultipleInstructionMultipleDatastream)如：多处理机；可以看成是多个独立的SISD单机系统的集合。武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院计算机体系结构-存储系统设计目标：以较小的成本使存储系统
23、的工作速度与处理机的速度相匹配。设计方案：分层设计对存储空间采用分块或分页的管理方式来获得对较高的命中率武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院 三级存储系统由Cache、主存和磁盘组织成一个“Cache-主存-磁盘”存储系统Cache内存辅存Cache存储器虚拟存储器Cache-主存武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院Cache存储器(Cache-主存存储系统)是针对主存速度 不能满足要求而提出的，对应用程序员和系统程序 员都透明。虚拟存储器在主存和辅存之间增加辅助的硬、软 件，使主存和辅存构成一个整体 Cache存储器的访问速度快于物理Cache的访 问速度 在物理Cache和
24、主存之间增加辅助硬件，使Cache 和主存构成一个整体武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院块号块内地址Cache主存地址映象变换机构块号块内地址Cache主存主存地址Cache地址Cache替换策略不命中命中已装不进还可装入去CPU来自CPU块数据（多字宽）指令/数据（单字宽）修改块表替换某块单字宽武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院Cache替换策略随机替换算法：随机FIFO替换算法：先进先出LRU替换算法：最近最少使用武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院虚拟存储器中的三种地址l 主存地址 主存存储单元的地址 l 辅存地址 辅存上数据的存放地址 l 虚拟地址 程序经编
25、译生成的访存地址 虚拟存储器武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院 段式虚拟存储器的地址映象与地址变换 段式管理：把主存空间按段进行分配的存储 管理方式 由程序员将一个大的复杂程序划分为逻辑上 相互独立的若干模块或它们的部分集合，这 些模块称为段。每个程序段都从0开始编址 (段内偏移)，段可长可短。武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院 页式虚拟存储器的地址映象与地址变换页式管理：把虚拟地址空间和主存地址空间都 划分为同样大小的页面，程序以页为单位调入 调出主存。虚拟空间的页称为虚页，主存空间 的页称为实页。地址空间的页面划分和页面大小是由虚拟存储 器的页式管理软硬件实现的武汉理工
26、大学计算机学院武汉理工大学计算机学院 段页式虚拟存储器的地址映象与地址变换 段页式管理：对用户编写程序的虚拟空间采用 分段方式管理，对主存的物理空间采用分页方 式管理l 用户仍然按照逻辑分段来编写程序，但是虚 拟空间到主存物理空间的映像是分页进行的武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院并行存储器并行存储器通过设置多个存储器或存储体，使它们并行工作，在一个存储器访问周期能并行访问到多个存储字武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院（1）单体多字并行存储器把存储器的存储字字长增加n倍，以存放n个指 令字或数据字，从而在一个存储周期内能访问 到n个指令字或数据字，最大带宽比单体单字 存储器
27、的最大带宽提高n倍优点：实现简单缺点：访问冲突概率大武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院（2）交叉访问存储器由多个存储体组成一个更大容量的主存时，对存储器的多个存储体的存储单元采用交叉编址方式，组成交叉访问存储器交叉编址方式：高位交叉地位交叉武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院（3）硬盘阵列廉价磁盘冗余数组（RAID,RedundantArrayofInexpensiveDisks）简称硬盘阵列，其基本思想就是把多个相对便宜的硬盘组合起来，成为一个硬盘阵列组，使性能达到甚至超过一个价格昂贵、容量巨大的硬盘。根据选择的版本不同，RAID比单颗硬盘有以下一个或多个方面的好处：增强数
28、据集成度，增强容错功能，增加处理量或容量。另外，磁盘阵列对于电脑来说，看起来就像一个单独的硬盘或逻辑存储单元。分为RAID-0，RAID-1，RAID-1E，RAID-5，RAID-6，RAID-7，RAID-10，RAID-50。武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院RAID0：将多个磁盘合并成一个大的磁盘，不具有冗余，并行I/O，速度最快。RAID1：两组以上的N个磁盘相互作镜像，可靠性最高。其原理为在主硬盘上存放数据的同时也在镜像硬盘上写一样的数据。RAID5：RAIDLevel5是一种储存性能、数据安全和存储成本兼顾的存储解决方案。它使用的是DiskStriping（硬盘分区）技
29、术。RAID5至少需要三颗硬盘，RAID5不是对存储的数据进行备份，而是把数据和相对应的奇偶校验信息存储到组成RAID5的各个磁盘上，并且奇偶校验信息和相对应的数据分别存储于不同的磁盘上RAID5可以理解为是RAID0和RAID1的折衷方案。RAID50：也被称为镜象阵列条带，由至少六块硬盘组成，像RAID0一样，数据被分区成条带，在同一时间内向多块磁盘写入；像RAID5一样，也是以数据的校验位来保证数据的安全，且校验条带均匀分布在各个磁盘上。其目的在于提高RAID5的读写性能。武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院3 3 计算机操作系统计算机操作系统武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计
30、算机学院2022/10/2852操作系统OperatingSystem，简称OS):用于管理和控制计算机硬件和软件资源的一组程序;计算机硬件与其他软件的接口用户和计算机的接口OS是管理计算机系统的全部硬件资源、软件资源及数据资源；控制程序运行；改善人机界面；为其它应用软件提供支持等，使计算机系统所有资源最大限度地发挥作用，为用户提供方便的、有效的、友善的服务界面。裸机操作系统应用程序用户操作系统的概念一般可以把操作系统分为批处理系统、分时系统和实时系统。随着计算机体系结结构的发展，又出现了许多类型的操作系统，它们是个人操作系统、网络操作系统和分布式操作系统等。武汉理工大学计算机学院武汉理工大学
31、计算机学院2022/10/2853操作系统的功能操作系统的功能1作业管理包括任务管理、界面管理、人机交互、图形界面和语音控制等。2处理机管理解决如何同时运行多个程序，进程调度和管理。3存储管理存储管理实质是对存储“空间”的管理，主要指对内存的管理。4设备管理设备管理实质是对硬件主管理，其中包括对输入/输出设备的分配、启动、完成和回收。5文件管理文件管理是操作系统对计算机系统中软件资源的管理。通常由操作系统中的文件系统来完成这一功能。武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院操作系统的内核内核是操作系统的主要部分，常驻内存，为核外程序提供运行环境。内核是指负责计算机系统中的资源管理和进程调度分
32、配的功能模块，包括中断处理、存储器管理、进程管理和I/O文件管理等等多种基本程序。武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院内核包括传统的单一强内核和现代微内核。传统内核功能繁多，主要应完成功能：n支撑功能：中断处理、时钟管理、原语操作n资源管理功能：进程管理、存储器管理、设备管理现代微内核特征：n只提供进程管理、线程管理、内存管理、通信和I/O服务等基本功能。n其他功能如文件系统、窗口管理器、Web服务等被定义在了核外，作为用户服务进程运行。n内核与高层功能模块之间的拓扑结构是客户/服务器模式。武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院处理机的执行状态两态：核心态和用户态原因为了赋予操作
33、系统的执行特权作用核心态：能够访问所有系统资源，可以执行特权指令，可以直接操作和管理硬件设备。操作系统内核程序运行在核心态下。用户态：只能访问属于它的存储空间和普通寄存器，只能执行普通指令。用户程序以及操作系统核外服务程序运行在用户态下。武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院1）处理器管理解决如何同时运行多个程序。具体内容：进程控制和管理进程同步和互斥进程间通信进程死锁的防止和解决进程调度进程定义有：(1)进程是程序的一次执行。(2)进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动。(3)进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院进程的
34、三种基本状态及其转换 进程的三种基本状态OS是根据进程控制块PCB来对并发执行的进程进行控制和管理的。进程切换的关键技术-中断武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院592022/10/28进程模型的局限性进程模型的局限性 进程：资源分配单位；进程：资源分配单位；独立调度单位独立调度单位存在的问题存在的问题 进程作为一个资源拥有者，在创建、撤消、切换中，系统必进程作为一个资源拥有者，在创建、撤消、切换中，系统必须为之付出须为之付出较大时空开销较大时空开销。所以系统中进程的数量不宜过多，进。所以系统中进程的数量不宜过多，进程切换的频率不宜过高，但这也就限制了并发程度的进一步提高。程切换的频率
35、不宜过高，但这也就限制了并发程度的进一步提高。解决问题的思路解决问题的思路把进程的两项功能把进程的两项功能“独立分配资源独立分配资源”与与“被调度分派执行被调度分派执行”分离开来，分离开来，即资源的分配单位不一定是独立运行单位。即资源的分配单位不一定是独立运行单位。进程：进程：作为系统资源分配和保护的独立单位，不需要频繁地切作为系统资源分配和保护的独立单位，不需要频繁地切换；换；线程线程：作为被调度和分派的基本单位，能轻装运行，会被频繁：作为被调度和分派的基本单位，能轻装运行，会被频繁地调度和切换，在这种指导思想下，产生了线程的概念地调度和切换，在这种指导思想下，产生了线程的概念 武汉理工大学
36、计算机学院武汉理工大学计算机学院602022/10/28线程的属性独立调度和分派的基本单位 在引入线程的OS中，线程是进程中的一个实体，是被独立调度和分派的基本单位系统。轻型实体 线程自己基本不拥有系统资源，只拥有少量必不可少的资源：程序计数器、一组寄存器、栈。可并发执行 一个线程可以创建和撤消另一个线程；同一进程中的多个线程之间可以并发执行；不同进程中的线程也能并发执行。共享进程资源 它可与同属一个进程的其它线程共享进程所拥有的全部资源。武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院存储器管理解决如何更有效地利用内存具体工作：内存分配与回收地址变换与保护内存共享存储扩充武汉理工大学计算机学院武
37、汉理工大学计算机学院设备管理设备管理-怎么使用外围设备具体工作：设备中断管理缓冲区管理逻辑设备到真实设备的映射设备分配与回收实现虚拟设备武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院文件管理文件管理-怎么保存和读取数据具体工作：提供文件的物理组织方法提供文件的逻辑组织方法文件存取和使用目录管理文件共享和安全性控制武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院作业管理作业：把用户要求计算机系统处理的一个问题称为一个“作业”作业控制方式：批处理控制方式：用户使用操作系统提供的“作业控制语言”对作业执行的控制意图写好一份“作业控制说明书”，连同该作业的源程序和初始数据一同提交给系统，操作系统按照用户说明
38、的控制意图来自动控制作业的执行。交互控制方式：用户使用操作系统提供的“操作控制命令”来表达对作业执行的控制意图。用户通过逐条输入命令，操作系统把命令执行情况通知用户并让用户再输入下一条命令，以控制作业执行直到结束。武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院用户接口提供用户接口-让用户更容易使用OS程序接口：给程序员编程时用的接口操作接口：给使用操作系统的人用的接口武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院网络操作系统网络操作系统（NOS）是网络用户和计算机网络的接口，它除了提供标准OS的功能外，还管理计算机与网络相关的硬件和软件资源，诸如网卡、网络打印机、大容量外存等，为用户提供文件共享、
39、打印共享等各种网络服务以及电子邮件、WWW等专项服务。常见常见NOS：UNIXWindowsNTNetWareLinuxMACOSAndroid武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院67网络操作系统的类型集中式集中式通常运行在大型主机上，实现资源的一体化管理。用户通过简单的终端（有时也把PC模拟为一台终端）来访问主机。大型关键应用，如UNIX，常用于金融行业的集中式处理系统。客户客户/服务器（服务器（C/S）这种模式代表了现代网络的潮流，在网络中连接多台计算机，有的计算机提供文件、打印、信息等服务，被称为服务器。而另外一些计算机则向服务器请求服务，称为客户机或工作站。客户机与集中式NOS
40、中的终端不同，客户机有自己的处理能力，仅在需要网络服务时才向服务器发出请求。中等规模的应用，如Netware，WindowsServer对等式（对等式（Peer to Peer）同时具有服务器和客户两种功能，提供最基本的通信和资源共享功能。适用于工作组内几台计算机之间，这种情况下无须购置专用服务器。小型应用，如WindowsXP武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院中断武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院中断基本概念什么是中断？中断是指CPU暂时中断执行当前的指令流程(进程)，去处理外部设备或硬件的中断信号的过程。中断又称为外部中断正在执行的指令流(进程i)中断 处理程序设备中断
41、信号武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院中断基本概念中断优先级多个中断同时发生,规定对同时达到中断的处理顺序优先处理高优先级中断同级中断根据任意的顺序多个中断同时发生正在执行的指令流处理高优先级中断处理低优先级中断 例如：时钟中断：优先级6级磁盘中断：优先级5级终端中断：优先级4级武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院中断基本概念中断嵌套处理在处理低优先级中断时允许高优先级中断发生保证高优先级中断被及时处理发生低优先级中断正在执行的指令流高优先级中断处理程序低优先级中断处理程序发生高优先级中断武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院中断处理流程中断处理程序的流程保存现场分析中断原因处理程序处理程序处理程序处理程序恢复现场同类中断处理完？iretNoYes武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院中断处理中断响应过程硬件在每条指令执行结束时，检测是否有中断的发生。如果有，就完成下面的中断响应过程：将当前PS和PC存入临时寄存器中；根据中断ID找到相应的中断向量单元：PSWPS处理程序入口PC切换到核心栈。临时寄存器中的PS和PC存入核心栈。开始执行中断/异常处理程序。完成从用户态到核心态的转变完成从用户栈到核心栈的切换武汉理工大学计算机学院武汉理工大学计算机学院谢谢！