电脑系统结构图-电脑系统与结构

2024-08-23 04:46:57

1.计算机的工作原理是什麽？

2.电脑系统都有哪些？

3.计算机是如何工作的？

4.计算机操作系统的基本概念

计算机的工作原理是什麽？

电脑系统结构图-电脑系统与结构

接上

计算机硬件系统组成

从功能上来看，计算机的硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成，五大部分由总线连接。控制器和运算器合在一起被称为中央处理器CPU(Central Processing Unit)。

计算机基本工作原理

冯?6?1诺依曼原理

世界上第一台计算机基于冯?6?1诺依曼原理，其基本思想是：存储程序与程序控制。存储程序是指人们必须事先把计算机的执行步骤序列（即程序）及运行中所需的数据，通过一定方式输入并存储在计算机的存储器中。程序控制是指计算机运行时能自动地逐一取出程序中一条条指令，加以分析并执行规定的操作。到目前为止，尽管计算机发展了4代，但其基本工作原理仍然没有改变。根据存储程序和程序控制的概念，在计算机运行过程中，实际上有两种信息在流动。一种是数据流，这包括原始数据和指令，它们在程序运行前已经预先送至主存中，而且都是以二进制形式编码的。在运行程序时数据被送往运算器参与运算，指令被送往控制器。另一种是控制信号，它是由控制器根据指令的内容发出的，指挥计算机各部件执行指令规定的各种操作或运算，并对执行流程进行控制。这里的指令必须为该计算机能直接理解和执行。

计算机指令与指令系统

指令是指计算机完成某个基本操作的命令。指令能被计算机硬件理解并执行。一条指令就是计算机机器语言的一个语句，是程序设计的最小语言单位。

一台计算机所能执行的全部指令的集合，称为这台计算机的指令系统。指令系统比较充分地说明了计算机对数据进行处理的能力。不同种类的计算机，其指令系统的指令数目与格式也不同。指令系统越丰富完备，编制程序就越方便灵活。指令系统是根据计算机使用要求设计的。

一条计算机指令是用一串二进制代码表示的，它通常应包括两方面的信息：操作码和地址码。操作码用来表征该指令的操作特性和功能，即指出进行什么操作；地址码指出参与操作的数据在存储器中的地址。一般情况下，参与操作的源数据或操作后的结果数据都在存储器中，通过地址可访问该地址中的内容，即得到操作数。

CPU访问存储器需要一定的时间，为了提高运算速度，有时也将参与运算的数据或中间结果存放在CPU寄存器中或者直接存放在指令中。

计算机的全名应该叫“通用电子数字计算机”（General-Purpose Electronic Digital Computer）。这个名称说明了计算机的许多性质。

“通用”说明计算机不是一种专用设备，我们可以把它与电话做一个比较。电话只能作为一种通讯工具，别无他用。而计算机不仅可以作为计算根据，只要有合适的软件，它也可以作为通讯工具使用，还能有无穷无尽的其他用途。

“电子”是计算机硬件实现的物理基础，计算机是非常复杂的电子设备，计算机的运行最终都是通过电子电路中的电流、电位等实现的。

“数字”化是计算机一切处理工作的信息表示基础。在计算机里，一切信息都是用数字化的形式表示的，无论它原本是什么。无论是数值、文字，还是图形、声音等等，在计算机里都统一到二进制的数字化表示上。数字化是计算机的一种基本特征，也是计算机通用性的一个重要基础。

“计算机”意味着这是一种能够做计算的机器。计算机能够完成的基本动作不过就是数的加减乘除一类非常简单的计算动作。但是，当它在程序的指挥下，以电子的速度，在一瞬间完成了数以万亿计的基本动作时，就可能完成了某种很重大的事情。我们在计算机的外部看到的是这些动作的综合效果。从这个意义上看，计算机本身并没有多少了不起的东西，唯一了不起的就是它能按照指挥行事，做得快。实际上，更了不起的东西是程序、是软件，每个程序或软件都是特殊的，针对面临的问题专门设计实现的东西。

目前对计算机的另一种流行称呼是“电脑”，这是从香港台湾转播开来的一个译名，目前使用很广泛。实际上这个名称并不合适，很容易把人的理解引到错误的方向（或许这正是一些人有意或无意的目标）。我们从来不把原始人用于打树上果子的木棍称为“木手”，也不把火车称为“铁脚”。因为无论是木棍还是火车，虽然各有其专门用途方面的力量，各有其“长处”，但它们都只能在人手脚功能中很窄的一个方面有用，与手脚功能的普适性是根本无法相提并论的。同样，计算机能帮助人完成的也仅仅是那些能够转化为计算问题的事项，与人脑的作用范围和能力相比，计算机的应用范围也是小巫见大巫了。

计算机的核心处理部件是CPU（Central Processing Unit，中央处理器）。目前各类计算机的CPU都是用半导体集成电路技术制造的，它虽然不大，但其内部结构却极端复杂。CPU的基础材料是一块不到指甲盖大小的硅片，通过复杂的工艺，人们在这样的硅片上制造了数以百万、千万计的微小半导体元件。从功能看，CPU能够执行一组操作，例如取得一个数据，由一个或几个数据计算出另一个结果（如做加减乘除等），送出一个数据等。与每个动作相对应的是一条指令，CPU接收到一条指令就去做对应的动作。一系列的指令就形成了一个程序，可能使CPU完成一系列动作，从而完成一件复杂的工作。

在计算机诞生之时，指挥CPU完成工作的程序还放在计算机之外，通常表现为一叠打了孔的卡片。计算机在工作中自动地一张张读卡片，读一张就去完成一个动作。实际读卡片的事由一台读卡机完成（有趣的是，IBM就是制造读卡机起家的）。用这种方式，计算机的工作速度必然要受到机械式读卡机的限制，不可能很快。

美国数学家冯?6?1诺依曼最早看到问题的症结，据此提出了著名的“存储程序控制原理”，从而导致现代意义下的计算机诞生了。

计算机的中心部件，除了CPU之外，最主要是一个内部存储器。在计算机诞生之时，这个存储器只是为了保存正在被处理的数据，CPU在执行指令时到存储器里把有关的数据提取

未完

电脑系统都有哪些？

1、Windows系统是当今使用用户最多的一个操作系统。它是Microsoft公司在1985年11月发布的第一代窗口式多任务系统，它使PC机开始进入了所谓的图形用户界面时代，这种界面方式为用户提供了很大的方便，把计算机的使用提高到了一个新的阶段。

2、DOS操作系统从1981年问世至今，DOS经历了7次大的版本升级，从1.0版到现在的7.0 版，不断地改进和完善。

3、Mac OS 操作系统 Mac OS操作系统是美国苹果计算机公司为它的Macintosh计算机设计的操作系统的一代操作系统，该机型于年推出，率先用了一些我们至今仍为人称道的技术。

4、Unix系统 Unix系统是1969年在贝尔实验室诞生，最初是在中小型计算机上运用。UNIX为用户提供了一个分时的系统以控制计算机的活动和，并且提供一个交互，灵活的操作界。

5、Linux系统 Linux是目前全球最大的一个自由免费软件，其本身是一个功能可与Unix和Windows相媲美，具有完备的网络功能，它的用法与UNIX非常相似。

计算机是如何工作的？

计算机工作原理

计算机在运行时，先从内存中取出第一条指令，通过控制器的译码，按指令的要求，从存储器中取出数据进行指定的运算和逻辑操作等加工，然后再按地址把结果送到内存中去。接下来，再取出第二条指令，在控制器的指挥下完成规定操作。依此进行下去。直至遇到停止指令。程序与数据一样存取，按程序编排的顺序，一步一步地取出指令，自动地完成指令规定的操作是计算机最基本的工作原理，这一原理最初是由美籍匈牙利数学家冯.诺依曼于1945年提出来的，故称为冯.诺依曼原理，冯诺依曼体系结构计算机的工作原理可以概括为八个字：存储程序、程序控制 [1] 。

存储程序 --- 将解题的步骤编成程序（通常由若干指令组成），并把程序存放在计算机的存储器中（指主存或内存）；

程序控制 --- 从计算机主存中读出指令并送到计算机的控制器，控制器根据当前指令的功能，控制全机执行指令规定的操作，完成指令的功能。重复这一操作，直到程序中指令执行完毕。

冯诺依曼体系结构计算机的特点是：

1）使用单一的处理部件来完成计算、存储以及通信的工作。

2）存储单元是定长的线性组织。

3）存储空间的单元是直接寻址的。

4）使用低级机器语言，指令通过操作码来完成简单的操作。

5）对计算进行集中的顺序控制。

6）计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备五大部件组成并规定了它们的基本功能。

7）用二进制形式表示数据和指令。

8）在执行程序和处理数据时必须将程序和数据从外存储器装入主存储器中，然后才能使计算机在工作时能够自动调整地从存储器中取出指令并加以执行。

指令

计算机根据人们预定的安排，自动地进行数据的快速计算和加工处理。人们预定的安排是通过一连串指令（操作者的命令）来表达的，这个指令序列就称为程序。一个指令规定计算机执行一个基本操作 [2] 。一个程序规定计算机完成一个完整的任务。一种计算机所能识别的一组不同指令的集合，称为该种计算机的指令集合或指令系统。在微机的指令系统中，主要使用了单地址和二地址指令，其中，第1个字节是操作码，规定计算机要执行的基本操作，第2个字节是操作数。计算机指令包括以下类型：数据处理指令（加、减、乘、除等）、数据传送指令、程序控制指令、状态管理指令，整个内存被分成若干个存储单元，每个存储单元一般可存放8位二进制数（字节编址）。每个在位单元可以存放数据或程序代码，为了能有效地存取该单元内存储的内容，每个单元都给出了一个唯一的编号来标识，即地址。

按照冯·诺依曼存储程序的原理，计算机在执行程序时须先将要执行的相关程序和数据放入内存储器中，在执行程序时CPU根据当前程序指针寄存器的内容取出指令并执行指令，然后再取出下一条指令并执行，如此循环下去直到程序结束指令时才停止执行。其工作过程就是不断地取指令和执行指令的过程，最后将计算的结果放入指令指定的存储器地址中。

硬件

硬件通常是指构成计算机的设备实体。一台计算机的硬件系统应由五个基本部分组成：运算器、控制器、存储器、输入和输出设备。现代计算机还包括中央处理器和总线设备。这五大部分通过系统总线完成指令所传达的操作，当计算机在接受指令后，由控制器指挥，将数据从输入设备传送到存储器存放，再由控制器将需要参加运算的数据传送到运算器，由运算器进行处理，处理后的结果由输出设备输出。

中央处理器

CPU（central processing unit）意为中央处理单元，又称中央处理器。CPU由控制器、运算器和寄存器组成，通常集中在一块芯片上，是计算机系统的核心设备。计算机以CPU为中心，输入和输出设备与存储器之间的数据传输和处理都通过CPU来控制执行。微型计算机的中央处理器又称为微处理器。

控制器

控制器是对输入的指令进行分析，并统一控制计算机的各个部件完成一定任务的部件。它一般由指令寄存器、状态寄存器、指令译码器、时序电路和控制电路组成。计算机的工作方式是执行程序，程序就是为完成某一任务所编制的特定指令序列，各种指令操作按一定的时间关系有序安排，控制器产生各种最基本的不可再分的微操作的命令信号，即微命令，以指挥整个计算机有条不紊地工作。当计算机执行程序时，控制器首先从指令寄存器中取得指令的地址，并将下一条指令的地址存入指令寄存器中，然后从存储器中取出指令，由指令译码器对指令进行译码后产生控制信号，用以驱动相应的硬件完成指令操作。简言之，控制器就是协调指挥计算机各部件工作的元件，它的基本任务就是根据种类指纹的需要综合有关的逻辑条件与时间条件产生相应的微命令。

运算器

运算器又称算术逻辑单元ALU（Arithmetic Logic Unit）。运算器的主要任务是执行各种算术运算和逻辑运算。算术运算是指各种数值运算，比如：加、减、乘、除等。逻辑运算是进行逻辑判断的非数值运算，比如：与、或、非、比较、移位等。计算机所完成的全部运算都是在运算器中进行的，根据指令规定的寻址方式，运算器从存储或寄存器中取得操作数，进行计算后，送回到指令所指定的寄存器中。运算器的核心部件是加法器和若干个寄存器，加法器用于运算，寄存器用于存储参加运算的各种数据以及运算后的结果。

存储器

存储器分为内存储器（简称内存或主存）、外存储器（简称外存或辅存）。外存储器一般也可作为输入/输出设备。计算机把要执行的程序和数据存入内存中，内存一般由半导体器构成。半导体存储器可分为三大类：随机存储器、只读存储器、特殊存储器。 RAM RAM是随机存取存储器（Random Access Memory），其特点是可以读写，存取任一单元所需的时间相同，通电时存储器内的内容可以保持，断电后，存储的内容立即消失。RAM可分为动态（Dynamic RAM）和静态（Static RAM）两大类。所谓动态随机存储器DRAM是用MOS电路和电容来作存储元件的。由于电容会放电，所以需要定时充电以维持存储内容的正确，例如互隔2ms刷新一次，因此称这为动态存储器。所谓静态随机存储器SRAM是用双极型电路或MOS电路的触发器来作存储元件的，它没有电容放电造成的刷新问题。只要有电源正常供电，触发器就能稳定地存储数据。DRAM的特点是集成密度高，主要用于大容量存储器。SRAM的特点是存取速度快，主要用于调整缓冲存储器。 ROM ROM是只读存储器（Read Only Memory），它只能读出原有的内容，不能由用户再写入新内容。原来存储的内容是由厂家一次性写放的，并永久保存下来。ROM可分为可编程（Programmable）ROM、可擦除可编程（Erasable Programmable）ROM、电擦除可编程（Electrically Erasable Programmable）ROM。如，EPROM存储的内容可以通过紫外光照射来擦除，这使它的内容可以反复更改。特殊固态存储器包括电荷耦合存储器、磁泡存储器、电子束存储器等，它们多用于特殊领域内的信息存储。此外，描述内、外存储容量的常用单位有： ①位/比特（bit）：这是内存中最小的单位，二进制数序列中的一个0或一个1就是一比比特，在电脑中，一个比特对应着一个晶体管。 ②字节（B、Byte）：是计算机中最常用、最基本的存在单位。一个字节等于8个比特，即1 Byte=8bit。 ③千字节（KB、Kilo Byte）：电脑的内存容量都很大，一般都是以千字节作单位来表示。1KB=Byte。 ④兆字节（MB　Mega Byte）：90年代流行微机的硬盘和内存等一般都是以兆字节（MB）为单位。1 MB=KB。 ⑤吉字节（GB、Giga Byte）：市场流行的微机的硬盘已经达到430GB、640GB、810GB、1TB等规格。1GB=MB。 ⑥太字节（TB、Tera byte）：1TB=GB。最新有了PB这个概念，1PB=TB。

输入输出设备

输入设备是用来接受用户输入的原始数据和程序，并将它们变为计算机能识别的二进制存入到内存中。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、光笔等。输出设备用于将存入在内存中的由计算机处理的结果转变为人们能接受的形式输出。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。

总线

总线是一组为系统部件之间数据传送的公用信号线。具有汇集与分配数据信号、选择发送信号的部件与接收信号的部件、总线控制权的建立与转移等功能。典型的微机计算机系统的结构通常多用单总线结构，一般按信号类型将总线分为三组，其中AB（Address Bus）为地址总线；DB(Data Bus)为数据总线；CB（Control Bus）控制总线。

技术指标

CPU类型

CPU类型是指微机系统所用的CPU芯片型号，它决定了微机系统的档次。

字长

字长是指CPU一次最多可同时传送和处理的二进制位数，字长直接影响到计算机的功能、用途和应用范围。如Pentium是64位字长的微处理器，即数据位数是64位，而它的寻址位数是32位。

时钟频率和机器周期

时钟频率又称主频，它是指CPU内部晶振的频率，常用单位为兆（MHz），它反映了CPU的基本工作节拍。一个机器周期由若干个时钟周期组成，在机器语言中，使用执行一条指令所需要的机器周期数来说明指令执行的速度。一般使用CPU类型和时钟频率来说明计算机的档次。如Pentium III 500等。

运算速度

是指计算机每秒能执行的指令数。单位有MIPS（每秒百万条指令）、MFLOPS（秒百万条浮点指令）。

存取速度

是指存储器完成一次读取或写存操作所需的时间，称为存储器的存取时间或访问时间。而连续两次读或写所需要的最短时间，称为存储周期。对于半导体存储器来说，存取周期大约为几十到几百毫秒之间。它的快慢会影响到计算机的速度。

内、外存储器容量

是指内存存储容量，即内容储存器能够存储信息的字节数。外储器是可将程序和数据永久保存的存储介质，可以说其容量是无限的。如硬盘、U盘已是微机系统中不可缺少的外部设备。迄今为止，所有的计算机系统都是基于冯·诺依曼存储程序的原理。内、外存容量越大，所能运行的软件功能就越丰富。CPU的高速度和外存储器的低速度是微机系统工作过程中的主要瓶颈现象，不过由于硬盘的存取速度不断提高，这种现象已有所改善

演变历史

早期的计算机

我们先从最早的计算机讲起，人们在最初设计计算机时用这样一个模型：

人们通过输入设备把需要处理的信息输入计算机，计算机通过中央处理器把信息加工后，再通过输出设备把处理后的结果告诉人们。

其实这个模型很简单，举个简单的例子，你要处理的信息是1+1，你把这个信息输入到计算机中后，计算机的内部进行处理，再把处理后的结果告诉你。

早期计算机的输入设备十分落后，根本没有键盘和鼠标，那时候计算机还是一个大家伙，最早的计算机有两层楼那么高。人们只能通过扳动计算机庞大的面板上无数的开关来向计算机输入信息，而计算机把这些信息处理之后，输出设备也相当简陋，就是计算机面板上无数的信号灯。所以那时的计算机根本无法处理像这样各种各样的信息，它实际上只能进行数字运算。

当时人们使用计算机也真是够累的。但在当时，就算是这种计算机也是极为先进的了，因为它把人们从繁重的手工计算中解脱出来，而且极大地提高了计算速度。

有内部存储器

随着人们对计算机的使用，人们发现上述模型的计算机能力有限，在处理大量数据时就越发显得力不从心。为此人们对计算机模型进行了改进，提出了这种模型：

就是在中央处理器旁边加了一个内部存储器。这个模型的好处在于。先打个比方说，如果老师让你心算一道简单题，你肯定毫不费劲就算出来了，可是如果老师让你算20个三位数相乘，你心算起来肯定很费力，但如果给你一张草稿纸的话，你也能很快算出来。

可能你会问这和计算机有什么关系？其实计算机也是一样，一个没有内部存储器的计算机如果让它进行一个很复杂的计算，它可能根本就没有办法算出来，因为它的存储能力有限，无法记住很多的中间的结果，但如果给它一些内部存储器当“草稿纸”的话，计算机就可以把一些中间结果临时存储到内部存储器上，然后在需要的时候再把它取出来，进行下一步的运算，如此往复，计算机就可以完成很多很复杂的计算。

纸带机

随着时代的发展，人们越来越感到计算机输入和输出方式的落后，改进这两方面势在必行。在输入方面，为了不再每次扳动成百上千的开头，人们发明了纸带机。纸带机的工作原理是这样的，纸带的每一行都标明了26个字母、10个数字和一些运算符号，如果这行的字母A上面打了一个孔，说明这里要输入的是字母A，同理，下面的行由此类推。这样一个长长的纸带就可以代表很多的信息，人们把这个纸带放入纸带机，纸带机还要把纸带上的信息翻译给计算机，因为计算机是看不懂这个纸带的。

这样虽然比较麻烦，但这个进步确实在很大程度上促进了计算机的发展。在发明纸带的同时，人们也对输出系统进行了改进，用打印机代替了计算机面板上无数的信号灯。打印机的作用正好和纸带机相反，它负责把计算机输出的信息翻译成人能看懂的语言，打印在纸上，这样人们就能很方便地看到输出的信息，再也不用看那成百上千的信号灯了。

键盘和显示器

不过人们没有满足，他们继续对输入和输出系统进行改进。后来人们发明了键盘和显示器。这两项发明使得当时的计算机和我们使用的计算机有些类似了，而且在此之前经过长时间的改进，计算机的体积也大大地缩小了。键盘和显示器的好处在于人们可以直接向计算机输入信息，而计算机也可以及时把处理结果显示在屏幕上。

有外部存储器

可是随着人们的使用，逐渐又发现了不如意之处。因为人们要向计算机输入的信息越来越多，往往要输入很长时间后，才让计算机开始处理，而在输入过程中，如果停电，那前面输入的内容就白费了，等来电后，还要全部重新输入。就算不停电，如果人们上次输入了一部分信息，计算机处理完了，也输出了结果；人们下一次再需要计算机处理这部分信息的时候，还要重新输入。对这种重复劳动的厌倦导致了计算机新的模型的产生。

这回的模型是这样的：

这回增加了一个外部存储器。外部存储器的“外部”是相对于内部存储器来说的，在中央处理器处理信息时，它并不直接和外部存储器打交道，处理过程中的信息都临时存放在内部存储器中，在信息处理结束后，处理的结果也存放在内部存储器中。可是如果这时突然停电，那些结果还会丢失的。内部存储器（或简称内存）中的信息是靠电力来维持的，一旦电力消失，内存中的数据就会全部消失。也正因为如此，人们才在计算机模型中加入了外部存储器，把内存中的处理结果再存储到外部存储器中，这样停电后数据也不会丢失了。

外部存储器与内存的区别在于：它们的存储机制是不一样的，外部存储器是把数据存储到磁性介质上，所以不依赖于是否有电。这个磁性介质就好比家里的歌曲磁带，磁带上的歌曲不管有没有电都是存在的。当时人们也是考虑到了磁带这种好处，所以在计算机的外部存储器中也用了类似磁带的装置，比较常用的一种叫磁盘。

磁盘本来是圆的，不过装在一个方的盒子里，这样做的目的是为了防止磁盘表面划伤，导致数据丢失。

有了磁盘之后，人们使用计算机就方便多了，不但可以把数据处理结果存放在磁盘中，还可以把很多输入到计算机中的数据存储到磁盘中，这样这些数据可以反复使用，避免了重复劳动。

有文件系统

可是不久之后，人们又发现了另一个问题，人们要存储到磁盘上的内容越来越多，众多的信息存储在一起，很不方便。这样就导致了文件的产生。

这和我们日常生活中的文件有些相似。我们日常生活中的文件是由一些相关信息组成，计算机的文件也是一样。人们把信息分类整理成文件存储到磁盘上，这样，磁盘上就有了文件1、文件2……。

有操作系统

可是在使用过程中，人们又渐渐发现，由人工来管理越来越多的文件是一件很痛苦的事情。为了解决这个问题，人们就开发了一种软件叫操作系统。

操作系统（operating system，OS）是管理计算机硬件与软件的计算机程序，同时也是计算机系统的内核与基石。操作系统需要处理如管理与配置内存、决定系统供需的优先次序、控制输入与输出设备、操作网络与管理文件系统等基本事务。操作系统也提供一个让用户与系统交互的操作界面。

操作系统的类型非常多样，不同机器安装的操作系统可从简单到复杂，可从移动电话的嵌入式系统到超级计算机的大型操作系统。许多操作系统制造者对它涵盖范畴的定义也不尽一致，例如有些操作系统集成了图形用户界面，而有些仅使用命令行界面，而将图形用户界面视为一种非必要的应用程序。

有了操作系统之后，我们就不直接和计算机的硬件打交道，不直接对这些硬件发号施令，我们把要的事情告诉操作系统，操作系统再把要做的事情安排给计算机去做，等计算机做完之后，操作系统再把结果告诉我们，这样就省事多了。

在操作系统出现之前，人们通过键盘给计算机下达的命令都是特别专业的术语，而有了操作系统之后，人们和计算机之间的对话就可以使用一些很容易懂的语言，而不用去死记硬背那些专业术语了。

操作系统不但能在计算机和人之间传递信息，而且还负责管理计算机的内部设备和外部设备。它替人们管理日益增多的文件，使人们能很方便地找到和使用这些文件；它替人们管理磁盘，随时报告磁盘的使用情况；它替计算机管理内存，使计算机能更高效而安全地工作；它还负责管理各种外部设备，如打印机等，有了它的管理，这些外设就能有效地为用户服务了。

也正因为操作系统这么重要，所以人们也在不断地改进它，使它的使用更加方面，功能更加强大。对于咱们使用的微机来说，操作系统主要经历了DOS、Windows 3.X、Windows95和Windows98、windows2000、windows2003、windowsXP、windows vista、windows7、windows8、windows10和windows11这几个发展阶段。

计算机操作系统的基本概念

　操作系统是管理和控制计算机硬件与软件的计算机程序，是直接运行在“裸机”上的最基本的系统软件，任何其他软件都必须在操作系统的支持下才能运行。下面是我整理的计算机操作系统的基本概念，希望大家认真阅读！

　1、操作系统做什么

　注：计算机系统结构作为从程序设计者角度所看到的计算机属性，在计算机系统的层次结构中处于机器语言级;而计算机组织作为计算机系统结构的逻辑实现和物理实现，其任务就是围绕提高性能价格比的目标，实现计算机在机器指令级的功能和特性。研究和建立各功能部件间的相互连接和相互作用，完成各个功能部件内部的逻辑设计等是逻辑实现的内容;把逻辑设计深化到元件、器件级，则是物理实现的内容。

　计算机系统可以大致分为四个组成部分：计算机硬件、操作系统、系统程序与应用程序和用户。

　硬件为系统提供基本的计算，应用程序规定了用户按何种方式使用这些，操作系统控制和协调各用户的应用程序对硬件的使用。

　从两个视角探索操作系统：用户视角和系统视角。

　A、用户视角：

　对于PC用户，系统设计是为了让单个用户单独使用其，其目的是优化用户所进行的工作。对于这种情况，操作系统的设计目的是为了用户使用方便，性能是次要的，而且不在乎使用率。

　对于大型机用户，操作系统设计为使用做了优化：确保所有的CPU时间、内存和I/O都得到充分使用，并且确保没有用户使用超出其权限以外的。

　对于工作站用户，操作系统的设计目的是个人使用性能和使用率的折中。

　对于手持计算机用户，方便个人使用，最大化利用电池能源是操作系统设计的要点。

　B、系统视角：

　从系统视角，操作系统相当于分配器。操作系统管理CPU时间、内存空间等系统，在面对许多甚至冲突的请求，操作系统必须决定如何为每个程序和用户分配，以便计算机系统能有效而公平的运行。

　2、计算机系统组织

　计算机通过运算器、存储器、控制器、输入输出子系统等主要功能部件的相互连接和相互作用，借以实现机器指令级的各种功能和特性。从最基本的功能和作用原理来说，计算机是在控制器的全面控制下，接收经数字化编码的输入信息(程序和数据)，把它存放在存储器中，根据程序的要求对数据进行快速运算，产生结果数据输出。因此，可以把运算器、存储器、控制器、输入输出子系统看成是一台计算机的逻辑组成中最基本的功能部件。

　存储设备层次(按总线速率由高到低)：

　寄存器——高速缓存(Cache)——主存——磁盘——光盘——磁带

　3、计算机系统体系结构

　通过用的通用处理器的数量来分类。

　A、单处理器系统

　在单处理器系统中，有一个主CPU能够执行一个通用指令集，包括来自用户进程的指令。

　B、多处理器系统

　多处理器系统的优点：

　增加吞吐量;规模经济;增加可靠性。

　分类：

　非对称多处理器(asymmetric multiprocessing)系统——主从关系;

　对称多处理器(symmetric multiprocessing)系统——对等关系。

　C、集群系统

　集群计算机共享存储并通过局域网连接或更快的内部连接。

　分类：

　非对称集群：一部分机器处于热备份模式，其余的机器运行应用程序。

　对称集群：两台或多个主机都运行程序，互相监视。

　4、操作系统结构

　操作系统理论研究者有时把操作系统分成四大部分：

　驱动程序：最底层的、直接控制和监视各类硬件的部分，它们的职责是隐藏硬件的具体细节，并向其他部分提供一个抽象的、通用的接口。

　内核：操作系统内核部分，通常运行在最高特权级，负责提供基础性、结构性的功能。

　接口库：是一系列特殊的程序库，它们职责在于把系统所提供的基本服务包装成应用程序所能够使用的编程接口(API)，是最靠近应用程序的部分。例如，GNU C运行期库就属于此类，它把各种操作系统的内部编程接口包装成ANSI C和POSIX编程接口的形式。

　：是指操作系统中除以上三类以外的所有其他部分，通常是用于提供特定高级服务的部件。例如，在微内核结构中，大部分系统服务，以及UNIX/Linux中各种守护进程都通常被划归此列。

　在这里，需要介绍一些关于内核的知识。

　内核是操作系统最核心最基础的构件，内核结构往往对操作系统的外部特性以及应用领域有着一定程度的影响。

　内核的结构可以分为单内核、微内核、混合内核、外内核等。

　单内核(Monolithic kernel)，又称为宏内核。此架构的特性是整个核心程序都是以核心空间(Kernel Space)的身份及监管者模式(Supervisor Mode)来运行(宏内核被实现为运行在单一地址空间的单一的进程，核心提供的所有服务，都以特权模式，在这个大型的核心地址空间中运作，这个地址空间被称为核心空间(kernel space))。相对于其他类型的操作系统架构，如微核心架构或混核心架构等，这些核心会定义出一个高级的虚拟接口，由该接口来涵盖描述整个电脑硬件，这些描述会集合成一组硬件描述用词，有时还会附加一些系统调用，如此可以用一个或多个模块来实现各种操作系统服务，如进程管理、共时(Concurrency)控制、存储器管理等。

　微内核(Microkernel)，又称为微核心。微内核结构是1980年代产生出来的较新的内核结构，强调结构性部件与功能性部件的分离。微核心的设计理念，是将系统服务的实现，与系统的基本操作规则区分开来。它实现的方式，是将核心功能模块化，划分成几个独立的进程，各自运行，这些进程被称为服务器(service)。所有的服务器进程，都运行在不同的地址空间。只有需要绝对特权的进程，才能在具特权的运行模式下运行，其余的进程则在用户空间运行。

　混合内核(Hybrid kernel)像微内核结构，只不过它的组件更多的在核心态中运行，以获得更快的执行速度。混合内核，一种操作系统内核架构，结合整块性核心与单核心两种设计方法。它的架构实作方式接近于整块性核心。最有名的混合核心为Windows NT核心与XNU。

　外内核(Exokernel)的设计理念是尽可能的减少软件的抽象化，这使得开发者可以专注于硬件的抽象化。外核心的设计极为简化，它的目标是在于同时简化传统微内核的讯息传递机制，以及整块性核心的软件抽象层。外核的目标就是让应用程序直接请求一块特定的物理空间，一块特定的磁盘块等等。系统本身只保证被请求的当前是空闲的，应用程序就允许直接存取它。

　在众多常用操作系统之中，除了QNX和基于Mach的UNIX等个别系统外，几乎全部用单内核结构，例如大部分的Unix、Linux，以及Windows(微软声称Windows NT是基于改良的微内核架构的，尽管理论界对此存有异议。

　5、操作系统操作

　*双重模式操作*：

　为了确保操作系统地正常执行，必须区分操作系统代码和用户定义代码的执行。许多操作系统所取的方法是提供硬件支持以允许区分各种执行模式。

　至少需要两种独立的操作模式：用户模式(user mode)和监督程序模式(monitor mode)(也称为管理模式(supervisor mode)、系统模式(system mode)或特权模式(privileged mode))。在计算机硬件中增加一个称为模式位(mode bit)的位以表示当前模式：监督程序模式(0)和用户模式(1)。有了模式位，就可以区分操作系统所执行的任务和用户所执行的任务。

　系统引导时，硬件开始处于内核模式。接着，装入操作系统，开始在用户模式下执行用户进程。一旦出现陷阱或中断，硬件会从用户模式切换到内核模式。因此，只要操作系统获得了对计算机的控制，它就处于内核模式。系统在将控制交还给用户程序时会切换到用户模式。

　双重模式操作提高了保护操作系统和用户程序不受错误用户程序影响的手段。其实现为：将能引起损害的机器指令作为特权指令。如果在用户模式下试图执行特权指令，那么硬件并不执行该指令，而是认为该指令非法，并将其以陷阱的形式通知操作系统。

　系统调用为用户程序请作系统代表用户程序完成预留给操作系统的任务提供了方法。系统调用通常用陷阱到中断向量中的一个指定位置的方式。当系统调用被执行时，硬件会将它作为软件中断。控制权会通过中断向量转交到操作系统的中断处理程序，模式位设置成内核模式。系统调用服务程序是操作系统的一部分。内核检查中断指令以确定发生了什么系统调用;参数表示用户程序请求什么类型的服务。请求所需要的其他信息可通过寄存器、堆栈或内存来传递。内核检验参数是否正确和合法，再执行请求，然后将控制返回到系统调用之后的指令。

　6、进程管理

　进程是系统工作的单元。系统由多个进程组成，其中一些是操作系统进程(执行系统代码)，其余的是用户进程(执行用户代码)。所有这些进程可以潜在地并发执行，如通过在单CPU上用CPU复用来实现。

　操作系统负责下述与进程管理相关的活动：

　*创建和删除用户进程和系统进程;

　*挂起和重启进程;

　*提供进程同步机制;

　*提供进程通信机制;

　*提供死锁处理机制。

　7、内存管理

　内存是现代计算机系统操作的中心。内存通常是CPU所能直接寻址和访问的唯一大容量存储器。

　操作系统负责下列有关内存管理的活动：

　*记录内存的哪部分正在被使用及被谁使用;

　*当有内存空间是，决定哪些进程可以装入内存;

　*根据需要分配和释放内存空间。

　8、存储管理

　操作系统对存储设备上的物理属性进行了抽象，定义了逻辑存储单元，即文件。操作系统将文件映射到物理介质上，并通过这些物理介质来访问这些文件。

　A、文件系统管理

　文件管理是操作系统最为常见的组成部分。文件是由其创建者定义的一组相关信息的集合。通常，文件表示程序(源程序和目标程序)和数据。

　操作系统负责下列有关文件管理的活动：

　*创建和删除文件;

　*创建和删除目录来组织文件;

　*提供操作文件和目录的原语;

　*将文件映射到二级存储上;

　*在稳定介质上备份文件。

　B、大容量存储器管理

　绝大多数现代计算机系统都用硬盘作为主要非易失存储介质来存储程序和数据。许多程序都存储在硬盘上，要执行时才调入内存，在执行时将硬盘作为处理的来源地和目的地。因此，硬盘的适当管理对计算机系统尤为重要。

　操作系统负责下列有关硬盘管理的活动：

　*空闲空间管理;

　*存储空间分配;

　*硬盘调度。

　C、高速缓存

　高速缓冲存储器是存在于主存与CPU之间的一级存储器，由静态存储芯片(SRAM)组成，容量比较小但速度比主存高得多，接近于CPU的速度。硬件高速缓存基于著名的局部性原理，该原理既适用于程序结构也适用于数据结构。在有高速缓冲存储器的.计算机系统中，中央处理器存取主存储器的地址划分为行号、列号和组内地址三个字段。于是，主存储器就在逻辑上划分为若干行;每行划分为若干的存储单元组;每组包含几个或几十个字。高速存储器也相应地划分为行和列的存储单元组。二者的列数相同，组的大小也相同，但高速存储器的行数却比主存储器的行数少得多。

　高速缓存主要由三大部分组成：

　*Cache存储体：存放由主存调入的指令与数据块。

　*地址转换部件：建立目录表以实现主存地址到缓存地址的转换。

　*替换部件：在缓存已满时按一定策略进行数据块替换，并修改地址转换部件。

　操作系统执行高速缓存管理，对高速缓存大小和置换策略的仔细选择可以极大提高性能。

　D、I/O子系统

　I/O子系统包括如下几个部分：

　*一个包括缓冲、高速缓存和脱机的内存管理部分;

　*通用设备驱动器接口;

　*特定硬件设备的驱动程序。

　9、保护和安全

　保护是一种控制进程或用户对计算机的访问的机制。这个机制必须为强加控制提供一种规格说明方法和一种强制执行方法。

　安全的主要工作是防止系统不受外部或内部攻击。这些攻击范围很广，包括和蠕虫、拒绝服务攻击、身份偷窃、服务偷窃。

　10、分布式系统

　分布式系统是将一组物理上分开来的、各种可能的异构的计算机系统通过网络连接在一起，为用户提供系统所维护的各种的计算机的集合。

　分布式系统(distributed system)是建立在网络之上的软件系统。正是因为软件的特性，所以分布式系统具有高度的内聚性和透明性。因此，网络和分布式系统之间的区别更多的在于高层软件(特别是操作系统)，而不是硬件。内聚性是指每一个数据库分布节点高度自治，有本地的数据库管理系统。透明性是指每一个数据库分布节点对用户的应用来说都是透明的，看不出是本地还是远程。

　网络操作系统(Network Operating System)提供跨网络的文件共享、包括允许不同计算机上的进程进行消息交换的通信方法等功能。

　11、专用系统

　*实时嵌入式系统

　*多媒体系统

　*手持系统

　12、计算环境

　*传统计算

　*客户机-服务器计算

　*对等计算

　*基于Web的计算

　拓展：计算机考试网络操作系统基本概念

　1.单机操作系统