计算机方面的笔记

专业课知识

操作系统

内在的分析

1.1 操作系统的定义与作用
操作系统（Operating System，简称 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。它负责管理计算机系统的硬件、软件及数据资源，控制程序运行，改善人机界面，为其他应用软件提供支持，让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、有效、友善的服务界面 。其核心作用体现在：
资源管理者：对 CPU、内存、硬盘、输入输出设备等硬件资源，以及文件、进程等软件资源进行统一调配和管理，确保资源合理分配与高效利用。
用户与计算机的接口：用户通过操作系统提供的图形界面（如 Windows 的图形窗口）或命令行界面（如 Linux 的 Shell）与计算机交互，无需了解底层硬件细节即可操作计算机。
1.2 操作系统的发展历程
手工操作阶段：早期计算机无操作系统，用户独占全机资源，通过手工装拆纸带或磁带进行程序输入输出，操作繁琐，资源利用率低。
批处理系统：分为单道批处理系统和多道批处理系统。单道批处理系统将作业成批输入计算机，由监督程序自动依次处理；多道批处理系统允许同时将多个作业存放在内存中，CPU 交替执行多个作业，提高了资源利用率和系统吞吐量 。
分时系统：采用时间片轮转的方式，将 CPU 时间划分为多个时间片，轮流分配给多个用户作业，每个用户感觉自己独占计算机，实现了人机交互和多用户共享资源。
实时系统：能及时响应外部事件请求，在规定时间内完成对该事件的处理，主要用于工业控制、航空航天、金融交易等对时间要求苛刻的领域 。
通用操作系统：融合了批处理、分时、实时系统的功能，现代操作系统如 Windows、Linux、macOS 等都属于通用操作系统，可满足不同用户和应用场景的需求 。
二、操作系统的核心功能
2.1 进程管理
进程的概念：进程是程序的一次执行过程，是操作系统进行资源分配和调度的基本单位。一个进程由程序段、数据段和进程控制块（PCB）组成，PCB 记录了进程的状态、优先级、资源分配等信息 。
进程的状态：包括就绪态（进程已具备运行条件，等待 CPU 调度）、运行态（进程正在 CPU 上执行）、阻塞态（进程因等待某事件发生而暂停执行，如等待 I/O 操作完成），进程在这三种状态之间可以相互转换 。
进程调度：
调度算法：常见的有先来先服务（FCFS），按照进程到达的先后顺序进行调度；短作业优先（SJF），优先调度运行时间短的进程；时间片轮转（RR），每个进程分配相同的时间片轮流执行；优先级调度，根据进程优先级高低进行调度，优先级高的进程优先执行 。
上下文切换：当 CPU 从一个进程切换到另一个进程时，需要保存当前进程的上下文（包括寄存器值、程序计数器等），并恢复新进程的上下文，这个过程称为上下文切换 。
2.2 内存管理
内存管理的功能：包括内存分配与回收，为进程分配内存空间，在进程结束时回收内存；内存保护，防止进程非法访问其他进程的内存空间；地址映射，将程序中的逻辑地址转换为物理地址；内存扩充，通过虚拟内存技术，在物理内存不足时，利用外存模拟内存 。
内存分配方式：
连续分配方式：为进程分配连续的内存空间，包括单一连续分配（整个内存只分配给一个进程）、固定分区分配（将内存划分为若干固定大小的分区）、动态分区分配（根据进程需求动态划分内存分区） 。
非连续分配方式：允许进程占用不连续的内存空间，包括分页存储管理（将内存和进程都划分为大小相等的页，进程的页离散存储在内存页框中）、分段存储管理（将进程按逻辑功能划分为若干段，每段分配连续内存空间）、段页式存储管理（结合分页和分段的优点，先将进程分段，再将段分页） 。
虚拟内存技术：基于局部性原理（时间局部性和空间局部性），将一部分程序和数据存放在外存中，当需要时再调入内存。通过请求分页、请求分段等方式，实现内存的逻辑扩充，使得进程的虚拟地址空间可以大于实际物理内存空间 。
2.3 文件管理
文件的概念：文件是具有符号名的、在逻辑上具有完整意义的一组相关信息项的有序序列，信息项是构成文件内容的基本单位 。
文件系统结构：包括文件的逻辑结构（用户可见的结构，如无结构的流式文件、有结构的记录式文件）和物理结构（文件在存储设备上的存放方式，如连续存储、链接存储、索引存储） 。
文件操作：包括创建文件、打开文件、读文件、写文件、关闭文件、删除文件等 。
目录管理：采用树形目录结构，对文件进行组织和管理，方便用户查找和访问文件 。
2.4 设备管理
设备管理的目标：实现设备的分配与回收，提高设备利用率；实现设备无关性，使得应用程序与具体设备无关，便于程序移植和设备更换；实现设备的高效操作，优化 I/O 操作性能 。
I/O 控制方式：包括程序直接控制方式（CPU 不断查询 I/O 设备状态，等待 I/O 操作完成）、中断驱动方式（I/O 操作完成后，设备向 CPU 发送中断信号，CPU 处理中断）、DMA 方式（直接内存存取，在控制器控制下，数据直接在内存与 I/O 设备间传输，无需 CPU 干预）、通道控制方式（通过专用的通道处理器控制 I/O 操作，CPU 只需发出 I/O 指令，通道负责具体操作） 。
缓冲技术：在内存中设置缓冲区，用于缓和 CPU 与 I/O 设备之间速度不匹配的矛盾，减少 I/O 操作对 CPU 的中断频率，提高 CPU 和 I/O 设备的并行性 。
三、典型操作系统分析
3.1 Windows 操作系统
特点：具有友好的图形用户界面，操作简单直观；广泛支持各种应用软件；提供多任务处理能力，可同时运行多个程序；集成了丰富的系统工具和服务 。
核心组件：包括内核（负责进程管理、内存管理、设备驱动等核心功能）、图形设备接口（GDI，用于图形显示和打印）、用户界面（User Interface，提供窗口、菜单等用户交互元素）、文件系统（如 NTFS，提供安全的文件存储和管理） 。
3.2 Linux 操作系统
特点：开源免费，用户可自由获取和修改源代码；高度稳定可靠，适用于服务器、嵌入式设备等多种场景；具有强大的网络功能和多用户多任务处理能力；可定制性强，用户可根据需求选择不同的发行版（如 Ubuntu、CentOS、Debian 等） 。
核心组件：包括 Linux 内核（实现进程管理、内存管理、文件系统管理、设备驱动等功能）、Shell（命令行解释器，用户通过 Shell 与系统交互）、文件系统（如 EXT4，支持大容量存储和高效的数据访问） 。
四、典型例题
4.1 进程调度例题
题目：有三个进程 P1、P2、P3，它们的到达时间和运行时间如下表所示，分别采用先来先服务（FCFS）和短作业优先（SJF）调度算法，计算各进程的周转时间和平均周转时间。
进程
到达时间
运行时间
P1
0
5
P2
1
3
P3
2
2

解答：
FCFS 调度算法：
P1 的周转时间 = 5 - 0 = 5
P2 的周转时间 = 5 + 3 - 1 = 7
P3 的周转时间 = 5 + 3 + 2 - 2 = 8
平均周转时间 = (5 + 7 + 8) / 3 = 6.67
SJF 调度算法：
P1 的周转时间 = 5 - 0 = 5
P3 的周转时间 = 2 + 2 - 2 = 2
P2 的周转时间 = 2 + 2 + 3 - 1 = 6
平均周转时间 = (5 + 2 + 6) / 3 = 4.33
4.2 内存分页例题
题目：某系统采用分页存储管理，页面大小为 1KB，某进程的页表如下所示，逻辑地址 2049 对应的物理地址是多少？
页号
块号
0
2
1
3
2
1

解答：
页面大小为 1KB = 1024B，逻辑地址 2049 / 1024 = 2（页号）……2（页内偏移）。
查页表可知，页号 2 对应的块号为 1。
物理地址 = 块号 × 页面大小 + 页内偏移 = 1 × 1024 + 2 = 1026 。

不竭的兴趣

组成原理

工业的奇迹

1.1 计算机系统层次结构
硬件层：由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大基本部件构成，是计算机运行的物理基础。
指令集架构层（ISA）：定义计算机能够执行的指令集合、数据类型、寄存器组织等，是软件与硬件交互的接口。
操作系统层：管理计算机硬件与软件资源，为用户和应用程序提供服务，实现对硬件的抽象。
汇编语言层：使用助记符表示机器指令，需通过汇编程序翻译成机器语言。
高级语言层：如 C、Java 等，通过编译器或解释器转换为机器可执行代码 。
1.2 计算机性能指标
主频：CPU 的时钟频率，单位为 Hz，反映 CPU 运算速度，主频越高，理论上运算速度越快。
字长：CPU 一次能处理的数据位数，常见有 32 位、64 位，字长越长，可寻址空间越大，数据处理能力越强。
存储容量：包括主存容量（内存大小）和辅存容量（如硬盘容量），容量越大，可存储的数据和程序越多。
吞吐量：单位时间内系统处理的任务量，衡量计算机系统整体性能 。
二、计算机硬件系统
2.1 运算器
组成：由算术逻辑单元（ALU）、累加器（ACC）、通用寄存器组（GPRs）、状态寄存器（PSW）等组成。
功能：完成算术运算（如加、减、乘、除）和逻辑运算（如与、或、非、异或），并将运算结果暂存于寄存器或存储器中 。
2.2 控制器
组成：由程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、指令译码器（ID）、时序产生器和操作控制器等组成。
工作过程：
PC 存储下一条要执行指令的地址，将地址送入存储器取出指令存入 IR。
ID 对 IR 中的指令进行译码，分析指令功能。
时序产生器产生各种时序信号，操作控制器根据译码结果和时序信号，发出控制信号控制各部件协同工作，完成指令功能 。
2.3 存储器
分类：
主存储器（内存）：速度快、容量相对较小，用于存放当前正在运行的程序和数据，可与 CPU 直接交换数据。
辅助存储器（外存）：如硬盘、U 盘等，速度慢、容量大，用于长期存储数据和程序 。
存储单元与地址：存储器由多个存储单元组成，每个单元有唯一地址，CPU 通过地址访问存储单元。
2.4 输入 / 输出设备
输入设备：如键盘、鼠标、扫描仪等，将外部信息转换为计算机能识别的二进制代码输入到计算机。
输出设备：如显示器、打印机等，将计算机处理结果转换为人们能识别的形式输出 。
I/O 接口：实现 CPU 与 I/O 设备之间的信息交换，提供数据缓冲、信号电平转换、地址译码等功能 。
三、数据的表示与运算
3.1 数制与编码
数制：常见有二进制、八进制、十进制、十六进制，计算机内部采用二进制表示数据。
原码、反码、补码：
原码：最高位为符号位，0 表示正数，1 表示负数，其余位为数值位。
反码：正数反码与原码相同，负数反码是在原码基础上，符号位不变，其余位取反。
补码：正数补码与原码相同，负数补码是在反码基础上加 1。计算机中采用补码进行加减运算 。
3.2 定点数与浮点数运算
定点数运算：包括定点整数和定点小数的加减乘除运算，采用补码进行加减运算，通过移位和加法实现乘法运算，通过减法和移位实现除法运算 。
浮点数表示：由符号位、阶码和尾数组成，用于表示较大或较小的数值，遵循 IEEE 754 标准 。
浮点数运算：包括对阶、尾数运算、规格化和舍入等步骤 。
四、指令系统
4.1 指令格式
由操作码和地址码组成。操作码表示指令的操作类型（如加法、减法、取数等），地址码指出操作数的地址 。
常见寻址方式：
立即寻址：操作数直接包含在指令中。
直接寻址：地址码直接给出操作数的内存地址。
间接寻址：地址码给出的是操作数地址的地址。
寄存器寻址：操作数存放在寄存器中，地址码为寄存器编号 。
4.2 指令周期
从取指令、分析指令到执行完该指令所需的全部时间，一个指令周期包含若干个机器周期，一个机器周期又包含若干个时钟周期 。
五、存储系统
5.1 存储器层次结构
由高速缓存（Cache）、主存、外存构成金字塔形结构。Cache 速度最快，用于存储 CPU 近期频繁访问的数据，缓解 CPU 与主存之间的速度差异；主存用于存储当前运行的程序和数据；外存用于长期保存数据 。
5.2 高速缓存（Cache）
工作原理：基于程序的局部性原理（时间局部性和空间局部性），将 CPU 近期可能访问的数据从主存复制到 Cache 中，CPU 优先访问 Cache，若未命中再访问主存 。
Cache - 主存映射方式：
直接映射：主存块与 Cache 块一一对应，实现简单，但冲突率高。
全相联映射：主存块可映射到 Cache 任意一块，冲突率低，但实现复杂，成本高。
组相联映射：将 Cache 分为若干组，主存块映射到 Cache 特定组内的任意一块，是前两种方式的折中 。
六、典型例题
6.1 补码运算例题
题目：计算 -5 + 3 的补码运算过程（假设字长为 8 位）。
解答：
-5 的原码：10000101，反码：11111010，补码：11111011。
3 的原码、反码、补码均为：00000011。
补码相加：11111011 + 00000011 = 11111110。
结果补码 11111110 对应的原码为 10000010，即 -2 。
6.2 指令寻址例题
题目：已知某指令的地址码为 200H，采用直接寻址方式，主存按字节编址，求操作数的实际地址。
解答：直接寻址时，地址码即为操作数的内存地址，所以操作数实际地址为 200H 。