计算机系统课程.docx
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计算机系统课程
1.1---一段引言（几句话）
计算机能够平稳运行，离不开计算机的硬件系统和相应的软件系统。
硬件系统中，又可以分为输入设备和输出设备，软件系统又分为系统软件和应用软件。
（1）---介绍存储器子系统（可以展开讲存储器体系结构，比如内存，外存，cache，rom,ram等等）
计算机存储系统中，分为内存储器和外存储器，其中内存器从功能上可以分为：
读写存储器RAM、只读存储器ROM两大类；外存储器有U盘、移动硬盘以及光盘。
RoM：
ROM表示只读存储器（ReadOnlyMemory），在制造ROM的时候，信息（数据或程序）就被存入并永久保存。
这些信息只能读出，一般不能写入，即使机器停电，这些数据也不会丢失。
ROM一般用于存放计算机的基本程序和数据，如BIOSROM。
其物理外形一般是双列直插式（DIP）的集成块。
Cache：
高速缓存。
我们知道，电脑的内存是以系统总线的时钟频率工作的，这个频率通常也就是CPU的外频。
但是，CPU的工作频率（主频）是外频与倍频因子的乘积。
Cache是一种特殊的存储器，它由Cache存储部件和Cache控制部件组成。
Cache控制器部件包括主存地址寄存器、Cache地址寄存器，主存-Cache地址变换部件及替换控制部件等。
CPU运行程序是一条指令一条指令地执行的，而且指令地址往往是连续的，意思就是说CPU在访问内存时，在较短的一段时间内往往集中于某个局部，这时候可能会碰到一些需要反复调用的子程序。
电脑在工作时，把这些活跃的子程序存入比内存快得多的Cache中。
CPU在访问内存时，首先判断所要访问的内容是否在Cache中，如果在，就称为“命中”，此时CPU直接从Cache中调用该内容;否则，就称为“不命中”，CPU只好去内存中调用所需的子程序或指令了。
CPU不但可以直接从Cache中读出内容，也可以直接往其中写入内容。
由于Cache的存取速率相当快，使得CPU的利用率大大提高，进而使整个系统的性能得以提升。
RAM（randomaccessmemory）随机存储器。
存储单元的内容可按需随意取出或存入，且存取的速度与存储单元的位置无关的存储器。
按照存储信息的不同，随机存储器又分为静态随机存储器（StaticRAM,SRAM）和动态随机存储器（DynamicRAM,DRAM）。
一个DRAM的存储单元存储的是0还是1取决于电容是否有电荷，有电荷代表1，无电荷代表0。
但时间一长，代表1的电容会放电，代表0的电容会吸收电荷，这就是数据丢失的原因；刷新操作定期对电容进行检查，若电量大于满电量的1/2，则认为其代表1，并把电容充满电；若电量小于1/2，则认为其代表0，并把电容放电，藉此来保持数据的连续性。
（2）---介绍CPU子系统（概括性的就可以，几句话）
CPU火柴盒大小的体积上，布满了数以万计的晶体管，他们彼此独立又相互关联，CPU内部按照功能区域划分，分别为控制单元（ControlUnit；CU）、逻辑单元（ArithmeticLogicUnit；ALU）、存储单元（MemoryUnit；MU）三个重要单元。
按照CPU内部结构划分，分别为定点运算单元，浮点运算单元，MMX单元，L1Cache单元和寄存器等。
（3）---介绍IO子系统
（4）---介绍软件系统（分系统软件，用户软件）
计算机软件中分为系统软件和用户软件。
其中系统软件最重要且最基本的就是操作系统（OS）。
它是最底层的软件，它控制所有计算机运行的程序并管理整个计算机的资源，是计算机裸机与应用程序及用户之间的桥梁。
没有它，用户也就无法使用某种软件或程序。
1.操作系统
是计算机系统的控制和管理中心，从资源角度来看，它具有处理机、存储器管理、设备管理、文件管理等4项功能。
2.程序语言设计
计算机解题的一般过程是：
用户用计算机语言编写程序，输入计算机，然后由计算机将其翻译成机器语言，在计算机上运行后输出结果。
程序设计语言的发展经历了五代——机器语言、汇编语言、高级语言、非过程化语言和智能语言。
3.语言处理程序
计算机只能直接识别和执行机器语言，因此要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，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。
4.数据库管理程序
数据库管理系统是一种操纵和管理数据库的大型软件，用于建立、使用和维护数据库。
5.系统辅助处理程序
系统辅助处理程序也称为“软件研制开发工具”、“支持软件”、“软件工具”，主要有编辑程序、调试程序、装备和连接程序、调试程序。
其中：
操作系统如我们常用的Windows,linux,Dos，unixmac等。
语言处理程序如汇编语言汇编器，C语言编译、连接器等，一般来讲，系统软件包括操作系统和一系列基本的工具（比如编译器，数据库管理，存储器格式化，文件系统管理，用户身份验证，驱动管理，网络连接等方面的工具）。
是支持计算机系统正常运行并实现用户操作的那部分软件。
应用软件：
是用户可以使用的各种程序设计语言，以及用各种程序设计语言编制的应用程序的集合，分为应用软件包和用户程序。
应用软件包是利用计算机解决某类问题而设计的程序的集合，供多用户使用。
（5）---介绍CPU存储器IO分别是怎么链接起来的，（通过以下三个总线中哪一个总线，怎么连接的数据总线地址总线控制总线）
就像工厂中各部位之间的联系渠道，总线实际上是一组导线，是各种公共信号线的集合，用于作为电脑中所有各组成部分传输信息共同使用的“公路”。
直接和CPU相连的总线可称为局部总线。
其中包括:
数据总线DB（DataBus）、地址总线AB（AddressBus）、控制总线CB（ControlBus）。
其中，数据总线用来传输数据信息；地址总线用于传送CPU发出的地址信息；控制总线用来传送控制信号、时序信号和状态信息等。
CPU内部，寄存器之间和算术逻辑部件ALU与控制部件之间传输数据所用的总线称为片内总线（即芯片内部的总线）。
控制总线传送的是各种控制信号，有CPU至存储器、I/O接口设备的控制信号。
数据总线DB用于传送数据信息。
数据总线是双向三态形式的总线，即他既可以把CPU的数据传送到存储器或I/O接口等其它部件，也可以将其它部件的数据传送到CPU。
地址总线AB是专门用来传送地址的，由于地址只能从CPU传向外部存储器或I/O端口，所以地址总线总是单向三态的，这与数据总线不同。
I/o系统即输入输出系统，操作系统中负责管理输入输出设备的部分称为I/o系统，完成设备管理功能,包括外设编址，数据通路的建立，向主机提供外设的状态信息等。
I/o系统的组成有:
I/o设备，设备控制器及i/o操作有关的软硬件。
CPU与I/O设备的工作往往是异步的，很难保证当CPU执行输入操作时，外设已把要输入的信息准备好了；而当CPU执行输出时，外设的寄存器（用于存放CPU输出数据的寄存器）一定是空的。
所以，通常程序控制的传送方式在传送之前，必须要查询一下外设的状态，当外设准备就绪了才传送；若未准备好，则CPU等待。
1.查询式输入
在输入时，CPU必须了解外设的状态，看外设是否准备好。
当输入设备的数据已准备好后，发出一个选通信号，一边把数据送入锁存器，一边使D触发器为"1",给出"准备好"Ready的状态信号。
而数据与状态必须由不同的端口输至CPU数据总线。
当CPU要由外设输入信息时，先输入状态信息，检查数据是否已准备好，当数据已经准备好后，才输入数据。
2.查询式输出
同样的，在输出时CPU也必须了解外设的状态，看外设是否有空（即外设不是正处在输出状态，或外设的数据寄存器是空的，可以接收CPU输出的信息），若有空，则CPU执行输出指令，否则就等待。
（1）CpU是做什么的，它是怎么来进行处理的？
它能处理什么？
由晶体管组成的CPU是作为处理数据和执行程序的核心，其英文全称是:
CentralProcessingUnit，即中央处理器。
首先，CPU的内部结构可以分为控制单元，逻辑运算单元和存储单元（包括内部总线及缓冲器）三大部分。
CPU的工作原理就像一个工厂对产品的加工过程:
进入工厂的原料（程序指令），经过物资分配部门（控制单元）的调度分配，被送往生产线（逻辑运算单元），生产出成品（处理后的数据）后，再存储在仓库（存储单元）中，最后等着拿到市场上去卖（交由应用程序使用）。
在这个过程中，我们注意到从控制单元开始，CPU就开始了正式的工作，中间的过程是通过逻辑运算单元来进行运算处理，交到存储单元代表工作的结束。
数据从输入设备流经内存，等待CPU的处理，这些将要处理的信息是按字节存储的，也就是以8位二进制数或8比特为1个单元存储，这些信息可以是数据或指令。
数据可以是二进制表示的字符、数字或颜色等等。
而指令告诉CPU对数据执行哪些操作，比如完成加法、减法或移位运算。
我们假设在内存中的数据是最简单的原始数据。
首先，指令指针（InstructionPointer）会通知CPU，将要执行的指令放置在内存中的存储位置。
因为内存中的每个存储单元都有编号（称为地址），可以根据这些地址把数据取出，通过地址总线送到控制单元中，指令译码器从指令寄存器IR中拿来指令，翻译成CPU可以执行的形式，然后决定完成该指令需要哪些必要的操作，它将告诉算术逻辑单元（ALU）什么时候计算，告诉指令读取器什么时候获取数值，告诉指令译码器什么时候翻译指令等等。
假如数据被送往算术逻辑单元，数据将会执行指令中规定的算术运算和其他各种运算。
当数据处理完毕后，将回到寄存器中，通过不同的指令将数据继续运行或者通过DB总线送到数据缓存器中。
基本上，CPU就是这样去执行读出数据、处理数据和往内存写数据3项基本工作。
CPU的工作就是执行这些指令，完成一条指令后，CPU的控制单元又将指令读取器从内存中读取下一条指令来执行。
这个过程不断快速地重复，快速地执行一条又一条指令，产生你在显示器上所看到的结果。
在处理这么多指令和数据的同时，由于数据转移时差和CPU处理时差，肯定会出现混乱处理的情况。
为了保证每个操作准时发生，CPU需要一个时钟，时钟控制着CPU所执行的每一个动作。
时钟就像一个节拍器，它不停地发出脉冲，决定CPU的步调和处理时间，这就是我们所熟悉的CPU的标称速度，也称为主频。
主频数值越高，表明CPU的工作速度越快。
（2）介绍CPU的取指令，分析指令，执行指令。
Cpu的指令的执行过程：
首先是取指令和分析指令。
按照程序规定的次序，从内存储器取出当前执行的指令，并送到控制器的指令寄存器中，对所取的指令进行分析，即根据指令中的操作码确定计算机应进行什么操作。
其次是执行指令。
根据指令分析结果，由控制器发出完成操作所需的一系列控制电位，以便指挥计算机有关部件完成这一操作，同时，还为取下一条指令作好准备。
1.3---一段引言
（1）---介绍CPU的什么工作和其他部件有关（比如CU的工作要去内存取指令）
内存从CPU获得查找某个数据的指令，然后再找出存取资料的位置时（这个动作称为“寻址”），它先定出横坐标（也就是“列地址”）再定出纵坐标（也就是“行地址”），这就好像在地图上画个十字标记一样，非常准确地定出这个地方。
对于电脑系统而言，找出这个地方时还必须确定是否位置正确，因此电脑还必须判读该地址的信号，横坐标有横坐标的信号（也就是RAS信号，RowAddressStrobe）纵坐标有纵坐标的信号（也就是CAS信号，ColumnAddressStrobe），最后再进行读或写的动作。
因此，内存在读写时至少必须有五个步骤：
分别是画个十字（内有定地址两个操作以及判读地址两个信号，共四个操作）以及或读或写的操作，才能完成内存的存取操作。
---介绍CPU的什么工作相对独立的（比如ALU的工作相对独立，CPU的时钟是相对独立的）
ALU是一种功能较强的组合逻辑电路，它能进行多种算术运算和逻辑运算。
章节2：
2.1介绍几个不同的操作系统的。
每个系统有啥特点，有啥需求。
可写的有桌面操作系统Linuxnuix移动操作系统，macOS等等
Linux操作系统具有的特性：
1.开放性：
挃系统遵循丐界标准规范，特别是遵循开放系统互连（OSI）国际标准。
2.多用户：
是挃系统资源可以被丌同用户使用，每个用户对自己的资源（例如：
文件、设备）有特定的权限，互丌影响。
3.多任务：
它是挃计算机同时执行多个程序，而丏各个程序的运行互相独立。
4.良好的用户界面：
Linux向用户提供了两种界面：
用户界面和系统调用。
Linux还为用户提供了图形用户界面。
它利用鼠标、菜单、窗口、滚劢条等设施，给用户呈现一个直观、易操作、交互性强的友好的图形化界面。
设备独立性：
是挃操作系统把所有外部设备统一当作成文件来看待，只要安装它们的驱劢程序，任何用户都可以象使用文件一样，操纵、使用这些设备，而丌必知道它们的具体存在形式。
Linux是具有设备独立性的操作系统，它的内核具有高度适应能力。
提供了丰富的网络功能：
完善的内置网络是Linux一大特点。
5.良好的可移植性：
将操作系统从一个平台转移到另一个平台使它仍然能挄其自身的方式运行的能力。
Linux是一种可移植的操作系统，能够在从微型计算机到大型计算机的任何环境中和任何平台上运行。
Linux采取了许多安全技术措施，包括对读、写控制、带保护的子系统、审计跟踪、核心授权等，这为网络多用户环境中的用户提供了必要的安全保障。
硬件配置需求：
一、Ubuntu的最低配置：
在外观首选项里关闭特殊“视觉效果”后，下面配置可以流畅地运行Ubuntu：
CPU：
700MHz；
内存：
384MB；
硬盘：
6GB剩余空间；
显卡：
800x600以上分辨率；
二、Ubuntu推荐配置：
拥有以下硬件配置，可以打开视觉效果，令电脑产生美轮美奂的极具吸引力的效果：
CPU：
1.2GHz；
内存：
512MB；
硬盘：
8GB剩余空间；
显卡：
1024x768以上分辨率
Windows操作系统家族的主要特点：
1.CMD命令提示符更智能更人性化，以往的windows版本的命令提示符窗口，粘贴功能Ctrl+V是不可能实现的，但在win10系统，完全可以用键盘快捷键Ctrl+V粘贴，而且能够像word等办公软件里一样，按住shift键不放，按下方向键来选择文字内容；
2.开始菜单回来了，并且可以进行全局搜索，搜索范围包括本地PC内容和网络内容。
同时，开始菜单右侧附带了新的“格子“抑或称为”磁贴（源生于win8的特点被win10继承）“。
有系统通知、日期、天气、邮件、常用程序等等功能，而且显示项目可以自由定制选择和排列顺序，并且可以随意调整显示项目大小尺寸；
3.智能调整程序窗口大小的SnapFill，即快速填充，是指将某个应用A的窗口桌面左边缘移动时，在接近左边缘的时候，松开鼠标按键，这时候程序窗口自动的从左边缘开始填充，占据合适的屏幕大小。
当另一个程序B窗口移动向右边缘的时候，松开鼠标按键，改程序窗口会自动填满A未填充的屏幕区域。
3.4.MutiTask多任务功能，切换快捷键Windows键+“Tab”，这样就能查看当前运行的任务有哪些，而且是窗口缩略图的形式显示，每个缩略图右上角都有关闭按钮，可以很方便的点击关闭任务。
配置需求
基本上，如果你的电脑可以运行Windows8.1，则可以放心开始安装。
如果不太确定，不必担心，Windows将检查你的系统以确保可以安装技术预览版。
处理器：
1千兆赫（GHz）或更快。
内存：
1GB（32位）或2GB（64位）。
可用硬盘空间：
16GB。
图形卡：
带有WDDM驱动程序的MicrosoftDirectX9图形设备。
拥有Microsoft帐户和Internet接入。
Windows10的安装过程上与Windows8基本一致，安装后依然有个简单的设置向导，用户可以登录微软账户来同步数据，在断网的条件下则可新建本地账户。
MacOS系统特点：
1.使用MacOSX系统，Mac设备不会中病毒。
因为软件基本都是密封的，外部文件很难破坏操作系统系统。
2.MacOSX系统内置AppStore和iTunes，有连接网络和用AppleID登录、授权后直接使用，无需另行下载。
3.MacOSX系统有独家软件Xcode（相关资料可以到网上查询），主要适用于iOS游戏和iOS应用软件开发，Windows系统无法使用（没开源）。
4.MacOSX有查找我的iPhone，即便设备丢失也不怕，使用其他苹果设备远程定位即可。
但是，丢失的Mac设备必须开机、连网、用相同AppleID绑定iCloud并打开查找我的iPhone，三个条件缺一不可。
基本上，如果你的电脑可以运行Windows8.1，则可以放心开始安装。
如果不太确定，不必担心，Windows将检查你的系统以确保可以安装技术预览版。
配置要求：
苹果系统对电脑基本没什么要求，但是里面涉及到的软件就需要要求了，苹果系统是针对3D绘图和设计而开发的，所以需要渲染能力很强的CPU和显卡，其他的没什么要求
2.2讨论操作系统体系结构的关键特性。
一、模块组合结构
模块组合结构是在软件工程出现以前的早期操作系统以及目前一些小型操作系统最常用的组织方式。
操作系统刚开始发展时是以建立一个简单的小系统为目标来实现的，但是为了满足其他需求又陆续加入一些新的功能，其结构渐渐变得复杂而无法掌握。
以前我们使用的MS-DOS就是这种结构最典型的例子。
这种操作系统是一个有多种功能的系统程序，也可以看成是一个大的可执行体，即整个操作系统是一些过程的集合。
系统中的每一个过程模块根据它们要完成的功能进行划分，然后按照一定的结构方式组合起来，协同完成整个系统的功能。
在模块组合结构中，没有一致的系统调用界面，模块之间通过对外提供的接口传递信息，模块内部实现隐藏的程序单元，使其对其它过程模块来说是透明的。
但是，随着功能的增加，模块组合结构变得越来越复杂而难以控制，模块间不加控制地相互调用和转移，以及信息传递方式的随意性，使系统存在一定隐患。
二、层次结构
为了弥补模块组合结构中模块间调用存在的固有不足之处，就必须减少模块间毫无规则的相互调用、相互依赖的关系，尤其要清除模块间的循环调用。
从这一点出发，层次结构的设计采用了高层建筑结构的理念，将操作系统或软件系统中的全部构成模块进行分类:
将基础的模块放在基层（或称底层、一层），在此基础上，再将某些模块放在二层，二层的模块在基础模块提供的环境中工作;它只能调用基层的模块为其工作，反之不行。
严格的层次结构，第N+l层只能在N层模块提供的基础上建立，只能在N层提供的环境中工作，也只能向N层的模块发调用请求。
在采用层次结构的操作系统中，各个模块都有相对固定的位置、相对固定的层次。
处在同一层次的各模块，其相对位置的概念可以不非常明确。
处于不同层次的各模块，一般而言，不可以互相交换位置，只存在单向调用和单向依赖。
Unix/Linux系统采用的就是这种体系结构。
在层次结构中，强调的是系统中各组成部分所处的位置，但是想要让系统正常运作，不得不协调两种关系，即依赖关系和调用关系。
依赖关系是指处于上层（或外层）的软件成分依赖下层软件的存在、依赖下层软件的运行而运行。
例如，浏览器这部分软件就依赖GUI的存在和运行，GUI又依赖操作系统的存在和运行。
在操作系统内部，外围部分依赖内核的存在而存在，依赖内核的运行而运行，内核又依赖HAL而运行。
处在同层之内的软件成分可以是相对独立的，相互之间一般不存在相互依赖关系。
三、虚拟机结构
虚拟机的基本思想是系统能提供两个功能:
①多道程序处理能力;②提供一个比裸机有更方便扩展界面的计算机。
操作系统是覆盖在硬件裸机上的一层软件，它通过系统调用向位于它之上的用户应用程序服务。
从应用程序的角度看来，操作系统像是一台“计算书”，只不过它的功能比硬件裸机更强，它的指令系统是系统调用集而己。
因此，从概念上来讲，操作系统是“虚拟机”。
这是“虚拟机”概念的来源。
利用CPU调度以及虚拟内存技术，操作系统可以给运行于系统中的进程以假象:
好像进程拥有自己的CPU和存储器，如同系统中只有一个进程，系统所有资源都为它服务。
从这个角度来讲，操作系统为每一个进程创建了一个使该进程独立运行于其中的“虚拟机”，在这个“虚拟机”中，进程拥有自己的“CPU”和“存储器”，同时进程还得到了硬件所无法提供的文件系统功能。
虚拟机操作系统就是根据这一想法而产生的。
虚拟机操作系统不提供传统操作系统中的文件系统的功能。
最初的虚拟机仅仅为进程提供一个访问底层的接口，它通过对硬件的复用提供给每一个进程以硬件的一个拷贝，因此能够直接的运行在硬件上的程序都可以直接运行在虚拟机之上。
后来出现了另外三种体系结构的虚拟机:
由机器虚拟指令映射构成的虚拟机。
虚拟机操作系统并没有提供一个供应用程序直接运行的现成环境，它仅仅是对硬件进行（分时）复用从而得到硬件的多个拷贝，应用程序不可以直接运行在硬件之上，因此它也无法运行在虚拟机操作系统之上。
通常的情况是，普通的操作运行在虚拟机之上。
而应用程序运行在各自的操作系统之上，由于虚拟机操作系统是通过（分时）复用硬件资源同时提供多台虚拟机，因此同时可以有多个不同的操作系统运行在同一物理硬件机器之上，因此可以有多个不同操作系统的应用程序可以同时运行在同一台物理硬件机器之上。
四、微内核结构
操作系统研究领域最近十几年突出的成就应该是微内核技术。
微内核的研究动机是为克服已有的操作系统内核由于功能的增加而逐渐变大的缺点。
微内核体系结构的基本思想是把操作系统中与硬件直接相关的部分抽取出来作为一个公共层，称之为硬件抽象层（HAL）。
这个硬件抽象层其实就是一种虚拟机，它向所有基于该层的其它层通过API接口提供一系列标准服务。
在微内核中只保留了处理机调度、存储管理和消息通讯等少数几个组成部分，将传统操作系统内核中的一些组成部分放到内核之外来实现。
如传统操作系统中的文件管理系统、进程管理、设备管理、虚拟内存和网络等内核功能都放在内核外作为一个独立的子系统来实现。
因此，操作系统的大部分代码只要在一种统一的硬件体系结构上进行设计就可以了。
微内核体系结构的主要特点有:
①内核非常小。
②许多操作系统服务不属于内核，而是运行在内核之上的，这样，当高层模块更新时内核无须重新编译。
③有一个硬件抽象层，内核能方便地移植到其它的硬件体系结构中。
因为当需要移植到新的软件或硬件环境中时，只需对与硬件相关的部分稍加修改即可把微内核嵌入到新的硬件环境中，在多数情况下并不需要移植外部服务器或客户应用。
④灵活性和扩展性.微内核最大的优点之一就是它的灵活性和扩展性。
如果要实现另一个视图，可以增加一个外部服务器。
若要想扩展功能，可以增加和扩展内部服务器。
微内核思想虽然是一种非常理想的，理论上具有明显先进性的操作系统设计思想，但是现代微内核结构操作系统还存在着许多问题，现代微内核操作系统结构和性能还不够理想。
在市场和应用领域，微内核的应用在近几年逐渐广泛，很多过程控制计算机不以通用计算机的面貌出现，只是完成特定的专用功能，常常采用微内核结构。
五、分析、评价
以上介绍的模块组合结构、层次结构、虚拟机结构和微内核结构四种典型的操作系统体系结构主要是通用机上采用的体系结构，如模块组合结构是早期MS-DOS系统采用的结构，层次结构是Unix、Linux和Windows9x系统采用的结构，这些系统的功能相对完善，处理能力很强，但是这些系统内核都比较大，对于嵌入式系统里硬件系统多元化以及小存储空间的问题，这些通用的操作系统不可能直接移植到嵌入式产品上进行使用。
因此研究更加合理嵌入式操作系统体系结构将有利于提高嵌入式系统
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