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1、|第一章 计算机硬件基础1.1 计算机基本组成1 一个完整的计算机系统由：控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备 5 部分组成。2 运算器和控制器合称为中央处理器。内存储器和中央处理器合称为主机。3 控制器包括：指令寄存器、指令译码器、时序控制。1.1.1 中央处理器1 运算器通常由算术运算部件（ALU）和一些寄存器组成。2 累加器除了存放参加运算的操作数外，在连续运算中，还用于存放中间结果和最终结果。3 为了使计算机能够正确执行指令，CPU 必须能够按正确的时序产生操作控制信号，这是控制器的主要任务。4 控制器组成：程序计数器(PC)；指令寄存器（IR）；指令译码器；脉冲源及启停控制线路
2、；时序信号产生部件；操作控制信号形成部件；中断机构；总线控制逻辑。1.1.2 存储器1 按存储器在计算机中的功能分类：高速缓冲存储器（Cache），由双极型半导体；主存储器，由 MOS 半导体存储器构成；辅助存储器，又称为外存储器。1.1.3 常用 I/O 设备1 按信息的传输方向来分可分为：输入、输出与输入输出设备。|2 输入设备：键盘、鼠标、光标、触摸屏、跟踪球、控制杆、数字化仪、语言输入、手写汉字识别、光学字符阅读机（OCK）。分为两类：媒体输入设备和交互式输入设备。媒体输入设备：纸带输入机、卡片输入机、光学字符阅读机；交互式输入设备：键盘、鼠标、触屏、光屏、跟踪球。3 输出设备：显示器
3、、打印机、绘图仪、语音输出设备、卡片穿孔机、纸带穿孔机、数模转换设备。4 输入输出设备：磁盘机、磁带、可读写光盘、CRT 显示器、通信设备。5 输入输出设备按功能分为三类：用于人机接口、用于存储信息、机机联系。6 键盘：按键开关可分为两类：触点式、非触点式。7 键盘控制器的构成方式不同，可分为编码键盘和非编码键盘两类。8 根据鼠标器锁采用的传感技术的不同，鼠标器可分为两类：机械式与光电式。9 鼠标与主机相连有两种方式：总线接口和通信接口。10 目前大部分计算机把鼠标接在串行通信口：COM1 和 COM2 上。11 打印机以印字原理可分为：击打式打印机和非击打式打印机；以输出方式可分为串行打印机
4、和并行打印机。12 击打式打印机按字锤或字模的构成方式来分，可分为整字形击打印设备（按字模载体的形态分为：球形、菊花瓣形、轮式、鼓式）和点阵打印设备两类。|13 非击打式打印机类型：激光印字机、喷墨打印机、热敏打印机。14 显示器由监视器和显示控制器组成。监视器由阴极射线管（CRT）、亮度控制电路（控制栅）、扫描偏转电路（水平/垂直扫描偏转线圈）组成。15 为保证屏幕上显示的图像不产生闪烁，图像必须以 50 帧/秒至70 帧/秒的速度进行刷新。16 计算题举例：如当分辨率为 640480，帧频为 50 帧/秒，且水平回扫期和垂直回扫期各占水平扫描周期和垂直扫描周期的 20%，则行频=480 线
5、80%50 帧/s=30kHz水平扫描周期=130kHz=33s每一像素读出的时间=33s80%640 线=40-50ns若分辨率提高到 1024768，帧频为 60 帧/秒，则行频提高到57.6kHz，水平扫描周期（HC）为 17.4s，每像素读出时间减少到13.6ns。分辨率要求越高，为保证图像不闪烁，则时间要求越高（每一像素读出显示的时间越短）。光栅扫描显示器的扫描方式还可以分成逐行扫描和隔行扫描方式两种。1.2 计算机的系统结构1.2.1 并行处理的概念1 并行性包括同时性和并发性两种含义。|2 计算机中提高并行性的措施：时间重叠（时间并行技术）；资源重复（空间并行技术）；资源共享（一
6、种软件方法）。3 指令流：计算机执行的指令序列；数据流：指令流调用的数据序列；多重性：计算机同时可处理的指令或数据的个数。4（S-single、单一的，I-instruction、指令，M-multiple、多倍的，D-data、数据）根据指令流和数据流的多重性，可以把计算机分为 4 类： 单指令流单数据流（SISD）单指令流多数据流（SIMD）多指令流单数据流（MISD）多指令流多数据流（MIMD）。1.2.2 流水线处理机系统若假定图中取指令、分析指令、执行指令的时间相同，均为 t，则完成 n 条指令的时间 T 分别为T=3nt；T=（n+2）t。 1.2.3 并行处理机系统1 并行处理机
7、也称为阵列式计算机，是操作并行的 SMID 计算机，采用资源重复的措施开发并行性。并行处理机通常有一个控制器CU，N 个处理单元（PE）（包括处理器和存储模块），以及一个互联网络部件（IN）组成。2 并行处理机的主要特点：以单指令流多数据流方式工作；采用资源重复方法引用空间因素；是以某一类算法为背景的专用计算机；并行处理机的研究必须与并行算法的研究密切结合；处理单元结构相同是同构型并行机，同时是异构型多处理机系统。1.2.4 多处理机系统|1 多处理机属于 MIMD 计算机。和 SIMD 计算机的区别：多处理机实现任务或作业一级的并行，而并行处理机只实现指令一级的并行。2 多处理机的特点：结构
8、灵活性、程序并行性、并行任务派生、进程同步、资源分配和进程调度。1.2.5 CISC/RISC 指令系统RISC 与 CISC 比较，指令系统的主要特点：指令数目少；指令长度固定、指令格式种类少、寻址方式种类少；大多数指令可在一个机器周期内完成；通用寄存器数量多。1.3 计算机存储系统1.3.3 主存储器1 半导体读写存储器简称 RWM，习惯上称为 RAM，按工艺不同可分为：双极型 RAM 和 MOS 型 RAM。2 静态 MOS 存储芯片由：存储体、读写电路、地址译码、控制电路（存储体、地址译码器、驱动器、I/O 控制、片选控制、读/写控制）组成。3 存储器主要技术指标：存储容量、存取速度、
9、可靠性。4 存储器的速度可用访问时间、存储周期和频宽来描述。Tm（存储周期）Ta（读出时间），TmTw（写入时间）。1.3.4 高速缓冲存储器1 访问高速缓冲存储器的时间一般为访问主存时间的 1/4-1/10。1.3.5 辅助存储器1 常用的辅助存储器包括：磁带、磁盘、光盘。|2 磁表面存储器的存储原理：磁层由非矩形剩磁特性的导磁材料（氧化铁、镍钴合金）构成；磁层材料的剩磁要大（读出信息大），矫顽力 HC 要合适，才有足够的抗干扰能力和使用较小写电流，磁层厚度要薄，才能提高记录密度。3 磁头由高导磁率的软磁材料（如坡莫合金和具有高频特性的帖氧体）做铁心，在铁心上开有缝隙并绕有线圈。4 在磁表面
10、存储器中一般都是磁头固定。5 磁盘存储器由磁记录介质、磁盘存储器、磁盘控制器 3 部分组成；磁盘控制器包括控制逻辑、时序电路、“并串”转换和“串并”转换电路；磁盘驱动器包括：读写电路、读写转换开关、读写磁头和磁头定位伺服系统。6 按读写类型，光盘可分为：之都型、一次性写入型和可重写型。1.4 计算机应用领域1 计算机应用领域包括：(1) 科学计算；(2) 信息管理；(3) 计算机图形学与多媒体技术；(4) 语言与文字的处理；(5) 人工智能；第二章 操作系统知识2.1 操作系统简介2.1.1 操作系统的定义与作用1 操作系统是管理软硬件资源，控制程序执行、改善人机界面、合理组织计算机工作流程和
11、为用户使用计算机提供良好运行环境的一种系统软件。|2 操作系统 2 个重要的作用：(1)通过资源管理，提高计算机系统的效率；(2)改善人机界面，向用户提供友好的工作环境。3 资源：在计算机系统中，能分配给用户使用的各种硬件和软件设施。包括 2 大类：硬件资源和信息资源。2.1.2 操作系统的功能特征1 操作系统的主要特性：并发性、共享性和异步性。并发性：指两个或两个以上的运行程序在同一时间间隔内同时执行。共享性：指操作系统中的资源，可被多个并发的程序使用。异步性：又称为随机性。2 从资源管理的观点来了解操作系统的 6 个主要功能：处理器管理；存储管理；设备管理；文件管理；作业管理；网络与通信管
12、理。2.1.3 操作系统的类型1 操作系统的类型：批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统。2 批处理系统的主要特征：用户脱机工作、成批处理作业、多道程序设计、作业周转时间长。3 分时操作系统特性：同时性、独立性、及时性、交互性。4 实时操作系统组成：数据采集、加工处理、操作控制、反馈处理。2.2 处理机管理2.2.1 进程的基本概念|1 进程：一个具有独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动。2 进程属性：结构性、共享性、动态性、独立性、制约性、并发性。2.2.2 进程的状态和转换1 3 种不同的进程状态：运行态（running）、就绪态（ready）、等待态（wait）（又称为阻塞态
13、，blocked；或睡眠态，sleep）。2.2.3 进程的描述1 进程上下文：操作系统中把进程物理实体和支持进程运行的环境合称为上下文（Context）。2 一个进程映像包括：进程程序块、进程数据块、系统/用户堆栈、进程控制块（PCB）。3 进程控制块包括 3 类信息：标示信息、现场信息、控制信息。4 常用的现场信息包括：通用寄存器的内容、控制寄存器（PSW）的内容、用户堆栈指针、系统堆栈指针。5 常用的控制信息包括：进程的调度相关信息、进程组成信息、进程间通信相关信息、进程在二级存储器内的地址、CPU 资源的占用和使用信息、进程特权信息、资源清单。2.2.4 进程的同步与互斥1 进程之间存
14、在两种基本关系：竞争关系和协作关系。2 进程的互斥是解决进程间竞争关系的手段；进程的同步是解决进程间协作关系的手段。进程的互斥是一种特殊的进程同步关系，即逐次使用互斥共享资源。|3 典型的进程间同步问题：生产者消费者问题。4 最常用的同步机制：信号量即 PV，管程。5 原语是操作系统中执行时不可中断的过程，即原子操作两个同步原语：P（测试）操作和 V（增量）操作。2.2.5 死锁1 死锁：两个进程分别等待对方占用的一个资源，于是两者都不能执行而处于永远等待。2 死锁产生的条件：互斥的条件；占有和等待条件；不剥夺条件；循环等待条件。2.3 存储管理1 存储管理的功能：主存空间的分配与回收；地址转
15、换和存储保护；主存空间的共享；主存空间的扩充。2.3.1 存储器的层次 1 计算机系统的存储器可分为：寄存器、高速缓存、主存储器、磁盘缓存、固定磁盘、可移动磁盘介质 6 个层次结构。2 逻辑地址转化为物理地址，称为地址转换或重定位。2.3.2 地址转换与存储保护1 存储管理类型：分区存储管理、分段存储管理、分页存储管理、虚拟存储管理。2.3.3 分区存储管理1 分区存储管理分为：固定和可变分区管理。2 可变分区管理的分配算法：最先适用分配算法、最优适用分配算法、最坏适用分配算法。|2.4 设备管理1 外围设备分类：存储型设备、输入输出型设备。2 设备管理应具有以下功能：外围设备中断处理；缓冲区
16、处理；外围设备的分配；外围设备驱动调度。2.4.1 I/O 硬件原理1 按照输入输出特性，I/O 设备可划分为：输入型外围设备、输出型外围设备和存储型外围设备。2 按 I/O 控制器功能的强弱以及和 CPU 之间联系方式的不同，I/O设备控制方式可分为：询问方式、中断方式、DMA 方式、通道方式。3 访问方式又称为程序直接控制方式。4 DMA，直接存储器存取方式。5 通道又称为输入输出处理器。2.4.2 I/O 软件原理1 操作系统通常把 I/O 软件组织成 4 个层次：I/O 中断处理程序（底层）、设备驱动程序、与硬件无关的操作系统 I/O 软件、用户层的 I/O 软件。2 输入输出中断的类型和功能：通知用户程序输入输出操作延链推进的程度；通知用户程序输入输出正常结束；通知用户程序发现的输入输出操作异常；通知程序外围设备上重要的异步信号。3 由设备无关软件完成的功能：对设备驱动程序的统一接口；设备命名；设备保护；提供独立于设备的块大小；缓冲区管理；块设备的存储分配；独占性外围设备的分配和释放；错误报告。