计算机系统的组成计算机硬件组成.docx
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计算机系统的组成计算机硬件组成
1、计算机系统的组成
计算机是由硬件系统（hardwaresystem）和软件系统（softwaresystem）两部分组成的。
硬件部分
1、中央处理器
中央处理器（CentralProcessingUnit，CPU）制作在一块集成电路芯片上，也称为微处理器（MicroProcessorUnit，MPU）。
计算机利用中央处理器处理数据，利用存储器来存储数据。
CPU是计算机硬件的核心，主要包括运算器和控制器两大部分，控制着整个计算机系统的工作。
计算机的性能主要取决于CPU的性能。
运算器又称为算术逻辑单元（ArithmeticLogicUnit，ALU）。
操作时，控制器从存储器取出数据，运算器进行算术运算或逻辑运算，并把处理后的结果送回存储器。
控制器的主要作用是使整个计算机能够自动的运行。
执行程序时，控制器从主存中取出相应的指令数据，然后向其他功能部件发出指令所需的控制信号，完成相应的操作，再从主存中取出下一条指令执行，如此循环，直到程序完成。
2、存储器
存储器是计算机中的记忆存储部件。
存储器既能够接受和保存数据，又能够向其他部件提供数据。
存储器分为内存和外存两大类。
在计算机系统中，习惯上把内存、CPU合称为主机。
（1）内存储器
内存储器分为随机读/写存储器（RandomAccessMemory，RAM）、只读存储器（ReadOnlyMemory，ROM）和高速缓冲存储器（Cache）三类。
内存一般指的是RAM。
硬盘一般指ROM。
（2）外存储器
外存储器主要包括硬盘、光盘、U盘和移动硬盘等。
ROM和RAM是计算机内存储器的两种型号，ROM表示的是只读存储器，即：
它只能读出信息，不能写入信息，计算机关闭电源后其内的信息仍旧保存，一般用它存储固定的系统软件和字库等。
RAM表示的是读写存储器，可其中的任一存储单元进行读或写操作，计算机关闭电源后其内的信息将不在保存，再次开机需要重新装入，通常用来存放操作系统，各种正在运行的软件、输入和输出数据、中间结果及与外存交换信息等，我们常说的内存主要是指RAM。
3、输入设备
输入设备主要包括键盘、鼠标等。
（1）键盘
键盘是计算机的标准输入设备。
通过键盘可以向计算机输入各种指令、程序、数据等。
（2）鼠标
鼠标是微机的标准输入设备，使用鼠标可以方便地对图形界面中的图标和菜单等进行可视化操作。
目前微机上使用的主要是第2代光电鼠标，采用即插即拔的USB接口。
4、输出设备
输出设备主要有显示器和打印机等。
（1）显示器
显示器是微机必备的“软拷贝”输出设备，比较常见的是阴极射线管显示器（CathodeRayTube，CRT）和液晶显示器（LiquidCrystalDisplay，LCD）
（2）打印机
打印机是微机的常用的“硬拷贝”输出设备。
在显示器上输出的图像只能当时查看。
为了将图像长久保存，就需要使用打印机输出。
软件系统
所谓软件是指为方便使用计算机和提高使用效率而组织的程序以及用于开发、使用和维护的有关文档。
软件系统可分为系统软件和应用软件两大类。
一、系统软件
系统软件Systemsoftware,由一组控制计算机系统并管理其资源的程序组成，其主要功能包括：
启动计算机，存储、加载和执行应用程序，对文件进行排序、检索，将程序语言翻译成机器语言等。
实际上，系统软件可以看作用户与计算机的接口，它为应用软件和用户提供了控制、访问硬件的手段，这些功能主要由操作系统完成。
此外，编译系统和各种工具软件也属此类，它们从另一方面辅助用户使用计算机。
下面分别介绍它们的功能。
1.操作系统（OperatingSystem，OS）
操作系统是管理、控制和监督计算机软、硬件资源协调运行的程序系统，由一系列具有不同控制和管理功能的程序组成，它是直接运行在计算机硬件上的、最基本的系统软件，是系统软件的核心。
操作系统是计算机发展中的产物，它的主要目的有两个：
一是方便用户使用计算机，二是用户和计算机的接口。
比如用户键入一条简单的命令就能自动完成复杂的功能，这就是操作系统帮助的结果；二是统一管理计算机系统的全部资源，合理组织计算机工作流程，以便充分、合理地发挥计算机的效率。
操作系统通常应包括下列六大大功能模块：
（1）处理器管理：
当多个程序同时运行时，解决处理器（CPU）时间的分配问题。
（2）作业管理：
完成某个独立任务的程序及其所需的数据组成一个作业。
作业管理的任务主要是为用户提供一个使用计算机的界面使其方便地运行自己的作业，并对所有进入系统的作业进行调度和控制，尽可能高效地利用整个系统的资源。
（3）存储器管理：
为各个程序及其使用的数据分配存储空间，并保证它们互不干扰。
（4）设备管理：
根据用户提出使用设备的请求进行设备分配，同时还能随时接收设备的请求（称为中断），如要求输入信息。
（5）文件管理：
主要负责文件的存储、检索、共享和保护，为用户提供文件操作的方便。
（6）网络管理
操作系统的种类繁多，依其功能和特性分为分批处理操作系统、分时操作系统和实时操作系统等；依同时管理用户数的多少分为单用户操作系统和多用户操作系统；适合管理计算机网络环境的网络操作系统。
微机操作系统随着微机硬件技术的发展而发展，从简单到复杂。
Microsoft公司开发的DOS是一单用户单任务系统，而Windows操作系统则是一多户多任务系统，经过十几年的发展，已从Windows3.1发展WindowsNT、Windows2000、WindowsXP、Windowsvista、Windows7和Windows8等等。
它是当前微机中广泛使用的操作系统之一。
Linux是一个源码公开的操作系统，程序员可以根据自己的兴趣和灵感对其进行改变，这让Linux吸收了无数程序员的精华，不断壮大，已被越来越多的用户所采用，是Windows操作系统强有力的竞争对手。
2.语言处理系统（翻译程序---程序语言）
人和计算机交流信息使用的语言称为计算机语言或称程序设计语言。
计算机语言通常分为机器语言、汇编语言和高级语言三类。
如果要在计算机上运行高级语言程序就必须配备程序语言翻译程序（下简称翻译程序）。
翻译程序本身是一组程序，不同的高级语言都有相应的翻译程序。
翻译的方法有两种：
一种称为“解释”。
早期的BASIC源程序的执行都采用这种方式。
它调用机器配备的BASIC“解释程序”，在运行BASIC源程序时，逐条把BASIC的源程序语句进行解释和执行，它不保留目标程序代码，既不产生可执行文件。
这种方式速度较慢，每次运行都要经过“解释”，边解释边执行。
另一种称为“编译”，它调用相应语言的编译程序，把源程序变成目标程序（以.OBJ为扩展名），然后再用连接程序，把目标程序与库文件相连接形成可执行文件。
尽管编译的过程复杂一些，但它形成的可执行文件（以.exe为扩展名）可以反复执行，速度较快。
运行程序时只要键入可执行程序的文件名，再按Enter键即可。
对源程序进行解释和编译任务的程序，分别叫作编译程序和解释程序。
如FORTRAN、COBOL、PASCAL和C等高级语言，使用时需有相应的编译程序；BASIC、LISP等高级语言，使用时需用相应的解释程序。
3.服务程序
服务程序能够提供一些常用的服务性功能，它们为用户开发程序和使用计算机提供了方便，像微机上经常使用的诊断程序、调试程序、编辑程序均属此类。
4.数据库管理系统
数据库是指按照一定联系存储的数据集合，可为多种应用共享。
数据库管理系统（DataBaseManagementSystem，DBMS）则是能够对数据库进行加工、管理的系统软件。
其主要功能是建立、消除、维护数据库及对库中数据进行各种操作。
数据库系统主要由数据库（DB）、数据库管理系统（DBMS）以及相应的应用程序组成。
数据库系统不但能够存放大量的数据，更重要的是能迅速、自动地对数据进行检索、修改、统计、排序、合并等操作，以得到所需的信息。
这一点是传统的文件柜无法作到的。
数据库技术是计算机技术中发展最快、应用最广的一个分支。
可以说，在今后的计算机应用开发中大都离不开数据库。
因此，了解数据库技术犹其是微机环境下的数据库应用是非常必要的。
二、应用软件
为解决各类实际问题而设计的程序系统称为应用软件。
从其服务对象的角度，又可分为通用软件和专用软件两类。
工作流程
用户使用计算机系统算题的一般流程：
①通过系统操作员建立帐号，取得使用权。
帐号既用于识别并保护用户的文件（程序和数据），也用于系统自动统计用户使用资源的情况（记帐，付款）。
②根据要解决的问题，研究算法，选用合适的语言，编写源程序，同时提供需处理的数据和有关控制信息。
③把②的结果在脱机的专用设备上放入软磁盘，建立用户文件（也可在联机终端上进行，直接在辅助存储器中建立文件，此时第四步省去）。
④借助软盘机把软盘上用户文件输入计算机，经加工处理，作为一个作业，登记并存入辅助存储器。
⑤是要求编译。
操作系统把该作业调入主存储器，并调用所选语言的编译程序，进行编译和连接（含所调用的子程序），产生机器可执行的目标程序，存入辅助存储器。
⑥要求运算处理。
操作系统把目标程序调入主存储器，由中央处理器运算处理，结果再存入辅助存储器。
⑦运算结果由操作系统按用户要求的格式送外部设备输出。
计算机内部工作（④～⑦）是在操作系统控制下的一个复杂过程。
通常，一台计算机中有多个用户作业同时输入，它们由操作系统统一调度，交错运行。
但这种调度对用户是透明的，一般用户无需了解其内部细节。
用户可用一台终端，交互式的控制③～⑦的进行（分时方式）；也可委托操作员完成③～⑦，其中④～⑦是计算机自动进行的（批处理方式）。
批处理方式的自动化程度高，但用户不直观，无中间干预。
分时方式用户直观控制，可随时干预纠错，但自动化程度低。
现代计算机系统大多提供两种方式，由用户选用。
发展历史
下面我们结合计算机的发展历史来回顾一下操作系统的发展历程。
1、第一代计算机（1945-1955）：
真空管和插件板
40年代中期，美国哈佛大学、普林斯顿高等研究院、宾夕法尼亚大学的一些人使用数万个真空管，构建了世界上第一台电子计算机。
开启计算机发展的历史。
这个时期的机器需要一个小组专门设计、制造、编程、操作、维护每台机器。
程序设计使用机器语言，通过插板上的硬连线来控制其基本功能。
这个时候处于计算机发展的最初阶段，连程序设计语言都还没有出现，操作系统更是闻所未闻。
2、第二代计算机（1955-1965）：
晶体管和批处理系统
这个时期计算机越来越可靠，已从研究院中走出来，走进了商业应用。
但这个时期的计算机主要完成各种科学计算，需要专门的操作人员维护，并且需要针对每次的计算任务进行编程。
第二代计算机主要用于科学与工程计算。
使用FORTRAN与汇编语言编写程序。
在后期出现了操作系统的雏形：
FMS（FORTRAN监控系统）和IBMSYS（IBM为7094机配备的操作系统）。
3、第三代计算机（1965-1980）：
集成电路芯片和多道程序
20世纪60年代未，一位贝尔实验室曾参加过MULTICS研制工作的计算机科学家KenThompson，在一台无人使用的PDP-7机器上开发出了一套简化的、单用户版的MULTICS。
后来导致了UNIX操作系统的诞生。
UNIX操作系统主导了小型机、工作站以及其他市场。
也是至今最有影响力的操作系统之一，而Linux也是UNIX系统的一种衍生，下一讲我们将专门介绍一下UNIX的发展历史。
4、第四代计算机（1980-今）：
个人计算机
随着计算机技术的不断更新与发展，计算机神奇般地闯入了人们的生活，以低廉的价格就可以获得强大计算能力的计算机。
价格不再是阻拦计算机普及的门槛时，降低计算机的易用性就显得十分重要！
由于UNIX系统的本身特点，使得其不太适合于在运行在个人计算机上，这时就需要一种新的操作系统。
在这一历史关键时候，IBM公司由于低估了PC机的市场，并未使用最大的力量角逐这一市场，这时Intel公司趁机进入，成为了当今微处理器的老大。
同时善于抓住时机的微软公司的总裁比尔·盖茨适时地进入了这一领域，用购买来的CP/M摇身一变成为MS-DOS，并凭借其成为个人计算机操作系统领域的霸主。
虽然是苹果公司在GUI方面先拔头筹，但由于苹果公司的不兼容、不开放的市场策略，未能扩大战果，这时微软又适时地进入了GUI方面，凭借WINDOWS系统再次称雄。
构成
一般来说，操作系统由以下几个部分组成：
1）进程调度子系统：
进程调度子系统决定哪个进程使用CPU，对进程进行调度、管理。
2）进程间通信子系统：
负责各个进程之间的通信。
3）内存管理子系统：
负责管理计算机内存。
4）设备管理子系统：
负责管理各种计算机外设，主要由设备驱动程序构成。
5）文件子系统：
负责管理磁盘上的各种文件、目录。
6）网络子系统：
负责处理各种与网络有关的东西。
结构设计
操作系统有多种实现方法与设计思路，下面仅选取最有代表性的三种做一简单的叙述。
一、整体式系统
整体式系统结构设计：
这是最常用的一种组织方式，它常被誉为“大杂烩”，也可说，整体式系统结构就是“无结构”。
这种结构方式下，开发人员为了构造最终的目标操作系统程序，首先将一些独立的过程，或包含过程的文件进行编译，然后用链接程序将它们链接成为一个单独的目标程序。
Linux操作系统就是采用整体式的系统结构设计。
但其在此基础上增加了一些形如动态模块加载等方法来提高整体的灵活性，弥补整体式系统结构设计的不足。
二、层次式系统
层次式系统结构设计：
这种方式则是对系统进行严格的分层，使得整个系统层次分明，等级森严！
这种系统学术味道较浓！
实际完全按照这种结构进行设计的操作系统不多，也没有广泛的应用。
可以这么说，现在的操作系统设计是在整体式系统结构与层次式系统结构设计中寻求平衡。
三、微内核系统
微内核系统结构设计：
微内核系统结构设计是近几年来出现的一种新的设计理念，最有代表性的操作系统有Mach和QNX。
微内核系统，顾名思义就是系统内核很小。
比如说QNX的微内核只负责：
进程间的通信、低层的网络通信、进程调度、第一级中断处理。
横向比较
计算机历史中出现了许许多多的操作系统，然后大浪淘沙，无情地淘汰了许多，只留下一些经历过市场考验的：
一、桌面操作系统
1）MSDOS：
Intelx86系列的PC机上的最早的操作系统，微软公司产品，曾经统治了这个领域，现在已逐渐被自家兄弟WINDOWS系列所代替，现在除了一些低档机外已不多见。
2）Windows：
微软公司产品，从Windows1.0发展而来，现在是基于Intelx86系列的PC机上的主要操作系统，也是现然个人电脑中装机量最大的操作系统。
面向桌面、面向个人用户。
3）MacOS：
苹果公司所有，界面友好，性能优异，但由于只能运行在苹果公司自己的电脑上而发展有限。
但由于苹果电脑独特的市场定位，现在仍存活良好。
4）linux:
Linux是一种计算机操作系统和它的内核的名字，它也是自由软件和开放源代码发展中最著名的例子。
严格来讲，Linux这个词本身只表示Linux内核，但在实际上人们已经习惯了用Linux来形容整个基于Linux内核，并且使用GNU工程各种工具和数据库的操作系统（也被称为GNU/Linux）。
基于这些组件的Linux软件被称为Linux发行版。
一般来讲，一个Linux发行套件包含大量的软件，比如软件开发工具，数据库，Web服务器（例如Apache），XWindow，桌面环境（比如GNOME和KDE），办公套件等等。
二、服务器操作系统
1）UNIX系列：
UNIX可以说是源远流长，是一个真正稳健、实用、强大的操作系统，但是由于众多厂商在其基础上开发了有自己特色的UNIX版本，所以影响了整体。
在国外，UNIX系统可谓独树一帜，广泛应用于科研、学校、金融等关键领域。
但由于中国的计算机发展较为落后，UNIX系统的应用水平与国外相比有一定的滞后。
2）WindowsNT系列：
微软公司产品，其利用Windows的友好的用户界面的优势打进服务器操作系统市场。
但其在整体性能、效率、稳定性上都与UNIX有一定差距，所以现在主要应用于中小企业市场。
3）NovellNetware系列：
Novell公司产品，其以极适合于中小网络而著称，在中国的证券行业市场占有率极高，而且其产品特点鲜明，仍然是服务器系统软件中的长青树。
4）LINUX系列：
Linux是一种自由和开放源码的类Unix操作系统。
目前存在着许多不同的Linux，但它们都使用了Linux内核。
Linux可安装在各种计算机硬件设备中，从手机、平板电脑、路由器和视频游戏控制台，到台式计算机、大型机和超级计算机。
Linux是一个领先的操作系统，世界上运算最快的10台超级计算机运行的都是Linux操作系统。
严格来讲，Linux这个词本身只表示Linux内核，但实际上人们已经习惯了用Linux来形容整个基于Linux内核，并且使用GNU工程各种工具和数据库的操作系统。
Linux得名于计算机业余爱好者LinusTorvalds。
操作系统知识点
操作系统OS是配置在计算机硬件上的第一层软件，是对硬件系统的首次扩充。
操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理的对各类作业进行调度，以及方便用户使用的程序的集合。
1.目标
有效性、方便性、可扩充性、开放性。
2.作用
作为用户与计算机硬件系统之间的接口
作为计算机系统资源的管理者
用作扩充机器实现了对计算机资源的抽象
3.发展过程
①人工操作方式：
用户独占全机，CPU等待人工操作。
（第一代计算机）
②脱机输入输出方式：
事先将装有用户程序和数据的纸带装入纸带输入机，在外围机的控制下，把纸带上的数据输入到磁带上（类似于磁盘）。
当CPU需要时，从磁带将其高速地调入内存。
反之类同。
优点：
减少了CPU的空闲时间，提高了I/O速度。
③单道批处理系统：
首先监督程序将磁带第一个作业装入内存，运行控制权在该作业，该作业处理完成时，控制权交回到监督程序，再由监督程序把磁带上的第二个作业调入内存。
系统自动对作业成批处理。
（内存始终只保持一道作业—单道批处理）。
特征：
自动、顺序、单道
缺点：
内存浪费，不能充分利用系统资源。
④多道批处理系统：
用户所提交的作业先存放在外存，排成一个“后备队列”，再由作业调度程序按一定的算法从队列选择若干作业调入内存，使他们共享CPU和系统中的各种资源。
特征：
多道、无序、调度
优缺点：
资源利用率提高，系统吞吐量大，平均周转时间长，无交互能力。
⑤分时系统：
在一台主机上连接了多个带有显示器和键盘的终端，同时允许多个用户通过自己的终端，以交互方式使用计算机，共享主机中的资源。
因此，作业直接进入内存，采用轮转运行方式，系统配置一个多路卡（实现分时多路复用），及时接收用户终端命令（数据）。
特征：
多路性、独立性、及时性、交互性。
⑥实时系统：
系统能及时响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务的协调一致的运行。
特征：
多路性（周期性信息采集，多个对象或执行机构进行控制）、独立性、及时性、交互性、可靠性（多级容错措施）。
4.基本特征
①并发性（两个或多个事件在同时发生）
引入进程：
提高了系统资源的利用率和系统吞吐量，并改善了系统的性能。
引入线程：
对它的调度所付出的开销比进程小得多，能更高效地提高系统内多个程序间并发执行的程度。
②共享性（资源可供多个并发执行进程共同使用）
互斥共享方式：
在一段时间内只允许一个进程访问的资源称为临界资源或独占资源。
同时访问方式：
允许在一段时间内由多个进程同时对它们进行访问。
③虚拟技术（通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物）
（1）时分复用技术：
利用处理机的空闲时间运行其他程序，提高处理机的利用率。
（2）空分复用技术：
利用存储器的空闲空间存放其他程序，提高内存的利用率。
④异步性（进程以不可预知的速度向前推进）。
5.主要功能
处理器管理功能
①进程控制：
创建和撤销进程，分配资源、资源回收，控制进程运行过程中的状态转换。
②进程同步：
为多个进程运行进行协调。
进程互斥（为每个临界资源配置一把锁）、进程同步。
③进程通信：
实现相互合作之间的进程之间的信息交换。
④调度：
作业调度，进程调度。
存储器管理功能
存储器管理的主要任务：
为多道程序的运行提供良好的环境，方便用户使用存储器，提高存储器的利用率，并能从逻辑上扩充内存。
功能：
①内存分配：
静态分配、动态分配。
②内存保护：
确保每道用户程序都只在自己的内存空间内运行，彼此互不干扰。
一种比较简单的内存保护机制是设置两个界限寄存器。
③地址映射：
将地址空间中的逻辑地址转换为内存空间中与之对应的物理地址。
④内存扩充：
借助于虚拟存储技术，逻辑上扩充内存容量。
设备管理功能：
设备管理的主要任务：
完成用户进程提出的I/O请求，为其分配所需的I/O设备；提高CPU和I/O设备的利用率，提高I/O速度，方便用户使用I/O设备。
功能：
①缓存管理：
缓和CPU和I/O设备速度不匹配的矛盾。
②设备分配：
根据用户进程I/O请求、系统现有资源情况以及按照某种设备的分配策略，为之分配其所需的设备。
③设备处理：
用于实现CPU和设备控制器之间的通信。
文件管理功能
文件管理的主要任务：
对用户文件和系统文件进行管理，方便用户使用，并保证文件的安全性。
①文件存储空间的管理：
为每个文件分配必要的外存空间，提高外存的利用率，并能有助于提高文件系统的存、取速度。
②目录管理：
为每个文件建立其目录项，并对众多的目录项加以有效的组织，以实现方便的按名存取，即用户只须提供文件名便可对该文件进行存取。
③文件的读/写管理和保护
操作系统与用户之间的接口：
用户接口、程序接口、图形接口
6.系统调用
如果一个进程在用户态需要使用内核态的功能，就进行系统调用从而陷入内核，由操作系统代为完成。
Linux的系统调用主要有以下这些：
进程控制fork（）;exit（）;wait（）;进程通信pipe（）;shmget（）;mmap（）;文件操作open（）;read（）;write（）;设备操作ioctl（）;read（）;write（）;信息维护getpid（）;alarm（）;sleep（）;安全chmod（）;umask（）;chown（）。
7.OS结构设计
传统的操作系统结构：
无结构操作系统-->模块化结构OS-->分层式结构OS
大内核与微内核
大内核
大内核是将操作系统功能作为一个紧密结合的整体放到内核。
由于各模块共享信息，因此有很高的性能。
大内核是将操作系统功能作为一个紧密结合的整体放到内核。
由于各模块共享信息，因此有很高的性能。
微内核
由于操作系统不断复杂，因此将一部分操作系统功能移出内核，从而降低内核的复杂性。
移出的部分根据分层的原则划分成若干服务，相互独立。
在微内核结构下，操作系统被划分成小的、定义良好的模块，只有微内核这一个模块运行在内核态，其余模块运行在用户态。
微内核OS结构
①足够小的内核
②基于客户/服务器模式
③应用“机制与策略分离”原理
④采用面向对象技术
微内核的基本功能
①进程（线程）管理
②低级存储器管理
③中断和陷入处理
微内核操作系统存在的问题：
运行效率降低。
微内核OS的效率降低的最主要原因：
频繁地在用户态和核心态之间进行切换。
即在完成一次客户对OS提出的服务请求时，需要利用消息实现多次交互和进行用户/内核模式以及上下文的多次
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