（ENIAC的计算速度是每秒5000次加法或300多次乘法。（不重要））
直到今天，计算机基本结构的设计仍采用冯·诺依曼提出的思想和原理，人们把符合这种设计的计算机称为“冯·诺依曼机”。冯·诺依曼也被誉为“现代电子计算机之父”。
硬件系统是由借助电、磁、光、机械等原理构成的各种物理部件的有机组合，是计算机系统赖以工作的实体。硬件系统也被称为裸机，裸机只能识别由0和1组成的机器代码。
软件系统是为运行、管理及维护计算机而编制的各种程序、数据及文档的总称。软件是计算机的核心，没有软件的计算机毫无实用意义。软件是用户与硬件之间的接口，用户可以通过软件使用计算机硬件上的数据信息资源。
计算机硬件系统主要包含中央处理器、存储器、其他外部设备。它们之间通过总线连接在一起。
CPU 主要包括运算器和控制器两个部件。它们都包含寄存器，并通过总线连接起来。
字长：CPU 一次能处理的二进制数据的位数。（其余条件不变的情况下，字节越长，CPU 处理速度越快。）
主频：CPU 的时钟频率，计算机的操作在时钟信号的控制下分步执行，每个时钟信号周期完成一步操作。主频越高，CPU的运算速度就越高。
(Million Instructions Per Second，MIPS)来表示。这个指标能更直观地反映计算机的运算速度。
存储器中最重要的是主存储器，它一般采用半导体存储器，包括RAM和ROM两种。
RAM具有可读写性，即信息可读、可写，当写入时，原来存储的数据被擦除；具有易失性，即断电后数据会消失，且无法恢复。RAM又分为静态RAM和动态RAM。
ROM中信息只能读出不能写入，ROM具有内容永久性，断电后信息不会丢失。
高速缓冲存储器是介于CPU和内存之间的一种小容量、可高速存取信息的芯片，用于解决它们之间速度不匹配的问题。高速缓冲存储器一般用速度高的SRAM元件组成，其速度与CPU相当，但价格较高。
辅助存储器的容量一般都比较大，而且大部分可以移动，便于不同计算机之间进行信息交流。辅助存储器中数据被读入内存后，才能被CPU读取，CPU不能直接访问辅助存储器。
存储器主要有3个性能指标：速度、容量和每位（bit）价格。一般来说，速度越快，价格越高；容量越大，位价格越低，容量越大，速度越慢。
外设的种类很多，应用比较广泛的有输入/输出(Input/Output，I/O)设备、辅助存储器及终端设备。
磁头和磁臂是硬盘的重要组成部分，磁头安装在磁臂上，负责读/写各磁道上的数据。
固定磁头硬盘中，每个磁道对应一个磁头。工作时，磁头无径向移动，其特点是存取速度快，省去了磁头寻找磁道的时间，但造价比较高。
活动磁头硬盘中，每个盘面只有一个磁头，在存取数据时，磁头在盘面上做径向移动。由于增加了“寻道”时间，其存取速度比固定磁头硬盘要慢。目前常用的硬盘都是活动磁头的。
记录面。硬盘通常由重叠的一组盘片构成，每个盘片的两面都可用作记录面，每个记录面对应一个磁头，所以记录面号就是磁头号。
磁道。当盘片旋转时，磁头若保持在一个位置上，则每个磁头都会在记录面上划出一个圆形轨迹，这些圆形轨迹就是磁道。一条条磁道形成一组同心圆，最外圈的磁道为0号，往内则磁道号逐步增加。
圆柱面。在一个硬盘中，各记录面上相同编号的磁道构成一个圆柱面。例如，某硬盘有8片（16面），则16个0号磁道构成0号圆柱面，16个1号磁道构成1号圆柱面……硬盘的圆柱面数就等于一个记录面上的磁道数，圆柱面号就对应磁道号。
扇区。通常将一个磁道划分为若干弧段，每个弧段称为一个扇区或扇段，扇区从1开始编号。
因此，硬盘寻址用的磁盘地址应该由硬盘号(一台计算机可能有多个硬盘)、记录面(磁头)号、圆柱面(磁道)号、扇区号等字段组成。
磁盘存储器的主要性能指标包括存储密度、存储容量、平均存取时间及数据传输率等。
I/O接口(I/O控制器)用于主机和外设之间的通信，通过接口可实现主机和外设之间的信息交换。
I/O方式包括程序查询方式、程序中断方式、直接存储器存取(Direct Memory Access，DMA)方式及I/O通道控制方式等。
一旦某一外设被选中并启动，主机将查询这个外设的某些状态位，看其是否准备就绪，若未准备就绪，主机将再次查询；若外设已准备就绪，则执行一次I/O操作。这种方式控制简单，但系统效率低。
在主机启动外设后，无须等待查询，继续执行原来的程序。外设在做好输入/输出准备时，向主机发送中断请求，主机接到请求后就暂时中止原来执行的程序，转去执行中断服务程序对外部请求进行处理，在中断处理完毕后返回原来的程序继续执行。
在内存和外设之间开辟直接的数据通道，可以进行基本上不需要CPU介入的内存和外设之间的信息传输，这样不仅保证了CPU的高效率，也能满足高速外设的需要。
是DMA方式的进一步发展，在系统中设有通道控制部件，每个通道有若干外设。主机执行I/O指令启动有关通道，通道执行通道程序，完成输入输出操作。通道是一种独立于CPU的专门管理I/O的处理机制，它控制设备与内存直接进行数据交换。通道有自己的通道指令，通道指令由CPU启动，并在操作结束时向CPU发出中断信号。
注：分时是指同一时刻总线上只能传输一个部件发送的信息；共享是指总线上可以挂接多个部件，各个部件之间相互交换的信息都可以通过这组公共线)总线的分类。
片内总线：指芯片内部的总线，如在CPU芯片内部寄存器与寄存器之间、寄存器与算术逻辑单元（Arithmetic and Logic Unit,ALU）之间都由片内总线连接。
系统总线：指计算机硬件系统内各功能部件(CPU、内存、I/O接口)之间相互连接的总线，也称
。系统总线按传输的信息不同，又分为数据总线(双向传输)、地址总线(单向传输)及控制总线(部分“出”、部分“入”)。
通信总线：用于计算机之间或计算机与其他设备(远程通信设备、测试设备)之间信息传输的总线，也称
。依据总线的不同传输方式又分为串行通信总线和并行通信总线)总线的基本结构。
单总线结构：只有一条系统总线，CPU、内存、I/O设备都挂在该总线上，允许I/O设备之间、I/O设备与CPU之间或I/O设备与内存之间直接交换信息。
定义：一次总线操作(包括申请阶段、寻址阶段、传输阶段及结束阶段)所需的时间简称总线周期。
总线的工作频率：总线上各种操作的频率，为总线周期的倒数。若总线周期=N×时钟周期，则总线的工作频率=时钟频率/N。
为了保证同一时刻只有一个申请者使用总线，总线控制机构中有总线判优和仲裁控制逻辑，即按照一定的优先次序来决定哪个部件首先使用总线，只有获得总线使用权的部件才能开始数据传输。总线判优按其仲裁控制机构的设置可分为两种。
控制：总线控制逻辑基本上集中于一个设备(如CPU)中。将所有的总线请求集中起来，利用一个特定的裁决算法进行裁决。
控制：不需要中央仲裁器，即总线控制逻辑分散在连接于总线上的各个部件或设备中。
根据指令中操作数的性质，操作数又可以分为源操作数和目的操作数两类。例如，减法指令中减数和被减数为源操作数，它们的差为目的操作数。如果指令中的操作码和操作数共占n个字节，则称该指令为n字节指令。
，即0~255。(2)带符号数日常生活中，把带有“+”或“-”符号的数称为真值。在机器中，数的“+”“-”是无法识别的，因此需要把符号数字化。通常，约定二进制数的最高位为符号位，0表示正号，1表示负号。这种把符号数字化的数称为机器数。常见的机器数有原码、反码、补码及移码等不同的表示形式。
反码。正数的反码与原码相同；负数的反码是对该数的原码除符号位外的各位取反。
补码。正数的补码与原码相同；负数的补码是在该数的反码的最低位(即最右边一位)加1。
移码。一个真值的移码和补码只差一个符号位，若将补码的符号位由0改为1，或由1改为0，即可得该线机器数的定点表示和浮点表示
根据小数点的位置是否固定，在计算机中有两种方法表示小数点，即定点表示和浮点表示。定点表示的机器数称为定点数，浮点表示的机器数称为浮点数。
定点表示即约定机器数中的小数点位置是固定不变的，小数点不再使用“.”表示，而是约定它的位置。
将小数点的位置固定在最高位之前、符号位之后，常称为定点小数(纯小数)。
定点数的运算除了加、减、乘、除外，还有移位运算。移位运算根据操作对象的不同分为算术移位(带符号数的移位)和逻辑移位(无符号数的移位)。
，j和S都是带符号的定点数。可见，浮点数由阶码和尾数两部分组成，如下图所示。>
为了提高运算的精度，浮点数的尾数必须为规格化数(即尾数的最高位必须是一个有效值)。
如果不是规格化数，需要修改阶码并左/右移尾数，使其变成规格化数。将非规格化数转换为规格化数的过程称为规格化操作。
是规格化数。现代计算机中，浮点数一般采用IEEE 754标准。IEEE 754标准浮点数的格式如右图所示。
对于规格化的二进制浮点数，数值的最高位总是“1”，为了能使尾数多表示一位有效位，将这个“1”隐藏，因此尾数数值实际是24位。
是现代计算机系统中最基本和最核心的系统软件之一，所有其他的软件都依赖于操作系统的支持。
提高它们的利用率和系统的吞吐量为用户和软件提供一个简单的接口，便于用户使用。如果把操作系统看成计算机系统资源的管理者，则操作系统的任务及其功能主要有以下
处理器(CPU)管理：对进程进行管理。其主要功能有创建和撤销进程，对多个进程的运行进行协调，实现进程之间的信息交换，以及按照一定的算法把处理器分配给进程等。
存储器管理：为多道程序的运行提供良好的环境，提高存储器的利用率，方便用户使用，并能从逻辑上扩充内存。因此，存储器管理应具有内存分配和回收、内存保护、地址映射及内存扩充等功能。
设备管理：完成用户进程提出的I/O请求，为用户进程分配所需的I/O设备，并完成指定的I/O操作；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。因此，设备管理应具有缓冲管理、设备分配、设备处理以及虚拟设备等功能。
文件管理：对用户文件和系统文件进行管理以方便用户使用，并保证文件的安全性。因此，文件管理应具有对文件存储空间的管理、目录管理、文件的读/写管理以及文件的共享与保护等功能。
在系统中引入了多道程序技术，使程序或程序段间能并发执行。程序的并发执行是指一组在逻辑上互相独立的程序或程序段在执行过程中，其执行时间在客观上互相重叠，即一个程序段的执行尚未结束，另一个程序段的执行已经开始的执行方式。
进程具有一定的生命周期，它能够动态地产生和消亡。程序可以作为一种软件资源长期保存，它的存在是永久的。
进程从创建、产生、撤销至消亡的整个生命周期，有时占有处理器并运行，有时虽可运行但分不到处理器，有时虽有空闲处理器但因等待某个事件发生而无法运行，这说明进程是活动的且有状态变化。一般来说，一个进程的活动情况至少可以划分为以下5种基本状态。
等待状态（阻塞状态、睡眠状态）：指进程不具备运行条件、正在等待某个事件完成的状态。
它是进程存在的唯一标识，是操作系统用来记录和刻画进程状态及环境信息的数据结构，是进程动态特征的汇集，也是操作系统掌握进程的唯一资料结构和管理进程的主要依据。PCB包括进程执行时的状况，以及进程让出处理器之后所处的状态、断点等信息。
调度优先数：用于分配处理器时参考的一种信息，它决定在所有就绪的进程中，究竟哪一个进程先得到处理器。
现场信息：在对应进程放弃处理器时，将处理器的一些现场信息(如指令计数器值、各寄存器值等)保留在该进程的PCB中，当下次恢复运行时，只要按保存值重新装配即可继续运行。
中，将该表的首地址存放在内存的一个专用区域中。该方式实现简单、开销小，但每次查找时都需要扫描整个表，因此适合进程数目不多的系统。
进程调度是指按一定策略动态地把CPU分配给处于就绪队列中的某一进程并使之执行的过程。进程调度亦可称为处理器调度或低级调度，相应的进程调度程序可称为分配程序或低级调度程序。进程调度仅负责对CPU进行分配。进程调度方式有
抢占方式：就绪队列中一旦有优先级高于当前正在运行的进程出现时，系统便立即把CPU分配给高优先级的进程，并保存被抢占了CPU的进程的有关状态信息，以便以后恢复。
非抢占方式：一旦CPU分给了某进程，即使就绪队列中出现了优先级比它高的进程，高优先级进程也不能抢占现行进程的CPU。
基本的进程调度算法有先来先服务调度算法、时间片轮转调度算法、优先级调度算法等。进程调度仅负责对CPU进行分配。
线程。线程是比进程更小的能独立运行的基本单位，用它来提高程序的并行程度，减少系统开销，可进一步提高系统的吞吐量。
死锁。各进程互相独立地动态获得，不断申请和释放系统中的软硬件资源，这就有可能使系统中若干个进程均因互相“无知地”等待对方所占有的资源而无限地等待。这种状态称为死锁。
，必须把用户程序中的所有相对地址(逻辑地址)转换成内存中的实际地址(物理地址)。
，必须修改程序中所有与地址有关的项，也就是要对程序中的指令地址以及指令中有关地址的部分(有效地址)进行调整。
地址重定位建立用户程序的逻辑地址与物理地址之间的对应关系，实现方式包括静态地址重定位和动态地址重定位。
程序必须占用连续的内存空间，且一旦装入内存后，程序便不再移动。动态地址重定位：在程序执行期间进行，由专门的硬件机构来完成，
，在每次进行存储访问时，将取出的逻辑地址加上重定位寄存器的内容形成物理地址。
是不要求程序装入固定的内存空间，在内存中允许程序再次移动位置，而且可以部分地装入程序运行，同时也便于多个作业共享同一程序的副本。动态地址重定位技术被广泛采用。
基本特点：内存空间被划分成一个个分区，一个作业占一个分区，即系统和用户作业都以分区为单位享用内存。
在连续存储管理中，地址重定位采用静态地址重定位，分区的存储保护可采用上、下界寄存器保护方式。分区分配方式分为固定分区和可变分区。
固定分区存储管理的优点是简单,要求的硬件支持少；缺点是容易产生内部碎片。可变分区避免了固定分区中每个分区都可能有剩余空间的情况，但由于它的空闲区域仍是离散的，因此会出现外部碎片。
这样,只要建立起程序的逻辑页和内存的存储块之间的对应关系，借助动态地址重定位技术，分散在不连续物理存储块中的用户作业就能够正常运行。
分页式存储管理的优点是能有效解决碎片问题，内存利用率高，内存分配与回收算法也比较简单；缺点是采用动态地址变换机构增加了硬件成本，也降低了处理器的运行速度。
分段式存储管理是以段为基本单位分配内存的，且每一段必须分配连续的内存空间，但各段之间不要求连续。由于各段的长度不一样，因此分配的内存空间大小也不一样。
每段再分成若干大小固定的页，每段都从0开始为自己的各页依次编写连续的页号。
背景：连续存储管理和分页分段式存储管理技术必须为作业分配足够的内存空间，装入其全部信息，否则作业将无法运行。把作业的全部信息装入内存后，实际上并非同时使用这些信息，有些部分运行一次，有些部分暂时不用或在某种条件下才使用。让作业全部信息驻留于内存是对内存资源的极大浪费，会降低内存利用率。
上，把外存空间当作内存的一部分，作业运行过程中可以只让当前用到的信息进入内存，其他当前未用的信息留在外存；而当作业进一步运行，需要用到外存中的信息时，再把已经用过但暂时还不会用到的信息换到外存，
并不是真实的存储空间，而是虚拟的，因此，这样的存储器称为虚拟存储器。虚拟存储器管理主要采用请求页式存储管理、请求段式存储管理及请求段页式存储管理技术实现。
在操作系统中，无论是用户数据，还是计算机系统程序和应用程序，甚至各种外设，都是以文件形式提供给用户的。文件管理就是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，提高外存空间的利用率。
(1)文件与文件系统的概念。文件是指一组带标识(文件名)的、具有完整逻辑意义的相关信息的集合。用户作业、源程序、目标程序、初始数据、输出结果、汇编程序、编译程序、连接装配程序、编辑程序、调试程序及诊断程序等，都是以文件的形式存在的。各个操作系统的文件命名规则略有不同，文件名的格式和长度因系统而异。一般来说，文件名由文件名和扩展名两部分组成，前者用于识别文件，后者用于区分文件类型，中间用“.”分隔开。
操作系统中与管理文件有关的软件和数据称为文件系统。它负责为用户建立、撤销、读/写、修改及复制文件，还负责对文件的按名称存取和存取控制。常用的、具有代表性的文件系统有EXT2/4、NFS、HPFS、FAT、NTFS等。(2)文件类型。
文件系统的传统模型为层次模型，该模型由许多不同的层组成。每一层都会使用下一层的功能来创建新的功能，为上一层服务。层次模型比较适合支持单个文件系统。
文件的逻辑结构。文件的逻辑结构是用户可见结构。根据有无逻辑结构，文件可分为记录式文件和流式文件。在记录式文件中，每个记录都用于描述实体集中的一个实体。各记录有着相同或不同数目的数据项，记录的长度可分为定长和不定长两类。流式文件内的数据不再组成记录，只是一串有顺序的信息集合(有序字符流)。这种文件的长度以字节为单位。可以把流式文件看作记录式文件的一个特例：一个记录仅有一个字节。
文件按不同的组织方式在外存上存放，就会得到不同的物理结构。文件在外存上有连续存放、链接块存放及索引表存放3种不同的存放方式，其对应的存储结构分别为顺序结构、链接结构及索引结构。
为了能对一个文件进行正确的存取，必须为文件设置用于描述和控制文件的数据结构，称为文件控制块(File Control Block，FCB)。FCB一般应包括以下内容。
有关文件存取控制的信息：文件名、用户名、文件主存取权限、授权者存取权限、文件类型及文件属性等。
有关文件结构的信息：记录类型、记录个数、记录长度、文件所在设备名及文件物理结构类型等。
文件与FCB一一对应，而人们把多个FCB的有序集合称为文件目录，即一个文件控制块就是一个文件目录项。通常，一个文件目录也被看作一个文件，可称为目录文件。
对文件目录的管理就是对FCB的管理。对文件目录的管理除了要解决存储空间的有效利用问题外，还要解决快速搜索、文件命名冲突以及文件共享等问题。
文件目录根据不同结构可分为单级目录、二级目录、多层级目录、无环图结构目录及图状结构目录等。
单级目录的优点是简单，缺点是查找速度慢，不允许重名，不便于实现文件共享。
二级目录提高了检索目录的速度；在不同的用户目录中，可以使用相同的文件名；不同用户还可以使用不同的文件名访问系统中的同一个共享文件。但对同一用户目录，也不能有两个同名的文件存在。
多层级目录（树结构目录），既可以方便用户查找文件，又可以把不同类型和不同用途的文件分类；允许文件重名，不但不同用户目录可以使用相同名称的文件，同一用户目录也可以使用相同名称的文件；利用多级层次结构关系，可以更方便地设置保护文件的存取权限，有利于文件的保护。其缺点为不能直接支持文件或目录的共享等。
为了使文件或目录可以被不同的目录所共享，出现了结构更复杂的无环图结构目录和图状结构目录等。
大型文件系统主要采用两个措施来进行安全性保护：一是对文件和目录进行权限设置，二是对文件和目录进行加密。
存储空间管理是文件系统的重要任务之一。文件存储空间管理实质上是空闲块管理问题，它包括空闲块的组织、空闲块的分配及空闲块的回收等问题。
空闲块管理方法主要有空闲文件项、空闲区表、空闲块链、位示图、空闲块成组链接法(UNIX操作系统中)等。
I/O设备类型繁多，差异又非常大，因此I/O设备管理是操作系统中最庞杂和琐碎的部分之一。
设备独立性软件：用于实现用户程序与设备驱动器的统一接口、设备命名、设备的保护以及设备的分配与释放等，同时为设备管理和数据传送提供必要的存储空间。
I/O操作完成后，驱动程序必须检查本次I/O操作中是否发生了错误，并向上层软件报告，最终向调用者报告本次I/O的执行情况。
设备驱动程序是驱动物理设备和DMA控制器或I/O控制器等直接进行I/O操作的子程序的集合。它负责启动I/O设备进行I/O操作，指定操作的类型和数据流向等。设备驱动程序有如下功能。
接收由设备独立性软件发来的命令和参数，并将命令中的抽象要求转换为与设备相关的低层次操作序列。
检查用户I/O请求的合法性，了解I/O设备的工作状态，传递与I/O设备操作有关的参数，设置设备的工作方式。
发出I/O命令，如果设备空闲，便立即启动I/O设备，完成指定的I/O操作；如果设备忙碌，则将请求者的请求块挂在设备队列上等待。
及时响应由设备控制器发来的中断请求，并根据其中断类型，调用相应的中断处理程序进行处理。
为了实现设备独立性，必须在设备驱动程序之上设置一层软件，称为与设备无关的I/O软件，或设备独立性软件。其主要功能①向用户层软件提供统一接口；②设备命名；③设备保护；④提供一个独立于设备的块；⑤缓冲技术；⑥设备分配和状态跟踪；⑦错误处理和报告等。
用户层软件在层次结构的最上层，它面向用户，负责与用户和设备无关的I/O软件通信。当接收到用户的I/O指令后，该层会把具体的请求发送到与设备无关的I/O软件进一步处理。它主要包含用于I/O操作的库函数和SPOOLing系统。此外，用户层软件还会用到缓冲技术。
由于设备、控制器及通道资源的有限性，因此不是每一个进程随时随地都能得到这些资源。进程必须首先向设备管理程序提出资源申请，然后，由设备分配程序根据相应的分配算法为进程分配资源。如果申请进程得不到它所申请的资源，将被放入资源等待队列中等待，直到所需要的资源被释放。如果进程得到了它所需要的资源，就可以使用该资源完成相关的操作，使用完之后通知系统，系统将及时回收这些资源，以便其他进程使用。开云体育 开云官网开云体育 开云官网
