《微机课DA》课件

计算机组成及系统结构深入探索计算机的内部构造及整体系统架构从硬件元件到系统运行机制,全面了解计算机的基本构成计算机硬件组成及功能中央处理器内存CPU Memory负责整个计算机系统的运算控制存储运行程序所需的指令和数据,和指挥调度任务,是计算机的核心为CPU提供快速访问的工作空间部件输入输出设备存储设备包括键盘、鼠标、显示器等,实现提供大容量永久性存储,如硬盘、人机交互和外部设备的连接光驱等,用于保存数据和程序内存组织和存储器层次结构主存储器1为CPU提供直接访问的存储空间高速缓存存储器2在主存与CPU之间提供中间层加速访问辅助存储器3大容量存储设备,为主存提供数据支持计算机系统的存储器组成包括主存储器、高速缓存存储器和辅助存储器主存储器为CPU提供直接访问的存储空间,高速缓存存储器在主存与CPU之间提供中间层加速访问,辅助存储器作为大容量存储设备为主存提供数据支持这三类存储器构成了计算机系统的存储器层次结构的工作原理及性能指标CPU3-5GHz4-16CPU时钟频率核心数位32-64256K-32MB指令集宽度高速缓存容量CPU是计算机的运算核心,负责执行存储在内存中的指令CPU由控制单元、运算单元、寄存器组和总线系统等部分组成它通过取指、译码、执行等步骤来完成程序的执行CPU的性能由时钟频率、核心数、指令集宽度和高速缓存容量等指标决定指令系统及寻址方式指令集计算机的指令集包括算术、逻辑、数据传输、控制转移等基本指令,定义了CPU能执行的操作寻址方式寻址方式决定如何从内存中获取操作数,如直接寻址、间接寻址、基址寻址等处理器结构CPU内部包括控制单元、运算单元等功能单元,通过指令系统和寻址方式完成程序执行程序的执行过程加载程序操作系统将程序代码和相关的数据装入内存准备执行获取指令CPU从内存中取出下一条要执行的机器指令指令译码CPU对取出的指令进行分析,确定执行操作和操作数指令执行CPU执行指令,操作相关数据,改变程序状态程序计数器更新程序计数器指向下一条要执行的指令地址输入输出系统及接口设备计算机的输入输出系统负责与外部设备进行数据交换它包括各种接口设备,如键盘、鼠标、显示器、打印机等,为用户提供人机交互的方式这些接口设备通过通用标准规范进行连接和通信,确保了系统之间的兼容性和可靠性合理设计的输入输出系统不仅提高了整体系统的性能,也增强了用户体验操作系统概述操作系统是计算机系统中最基本的软件组件,负责管理和协调硬件资源,为用户提供简单易用的接口了解操作系统的基本架构和功能对于计算机系统的设计和开发至关重要进程管理和调度进程调度算法进程状态转换进程通信和同步操作系统采用不同的进程调度算法,如先来进程在运行、就绪、阻塞等状态之间不断切多进程并发执行时,进程之间需要通过消息先服务、时间片轮转、优先级调度等,根据换,操作系统需要管理这些状态转换,确保进传递、信号量等机制进行通信和同步,避免不同的应用场景和目标进行选择程有序执行出现资源争用和死锁问题内存管理文件管理文件层次结构文件属性12操作系统通过树状的文件目录文件拥有诸如文件名、文件类结构管理文件，使用户可以高型、创建时间、访问权限等属效地组织和访问文件性，用于描述和管理文件文件操作文件缓存34用户可以对文件进行创建、打为提高文件访问效率，操作系开、读写、复制、移动、删除统会将文件数据缓存在内存中等基本操作以加快访问速度设备管理设备驱动程序设备分配与回收设备虚拟化设备管理接口设备驱动程序是操作系统管理操作系统需要合理分配设备资为了增强系统的灵活性和可扩操作系统为用户程序提供了一硬件设备的核心组成部分它源,确保多个进程能够公平共展性,操作系统还会提供设备系列设备管理接口,使其能够实现了设备的初始化、数据读享使用当进程使用完设备后,虚拟化技术,将单一物理设备方便地访问和控制硬件设备,写、中断处理等功能,确保操操作系统还需要及时回收设备抽象为多个逻辑设备如打开、关闭、读写等作系统能够与硬件设备协调工资源作中断机制中断产生1来自硬件或软件的异常事件中断处理2CPU保存现场信息，转向中断服务程序中断返回3中断服务程序执行完毕后恢复原程序中断机制是操作系统实现高效并发执行的基础当外部设备或内部程序出现异常时,CPU会暂时中断当前程序的执行,转而处理这些中断事件中断处理完成后,系统会恢复原先的执行状态,确保程序能够顺利运行系统调用什么是系统调用系统调用过程常用系统调用系统调用是应用程序与操作系统内核之间的应用程序通过系统调用陷入内核模式,操作常见的系统调用有文件操作、进程管理、内通信接口,用于请求操作系统提供服务它系统内核执行相应的系统服务,然后返回应存管理、设备管理等,覆盖了操作系统的主是操作系统功能的入口用程序这样实现了用户态和内核态的切换要功能虚拟内存与分页管理虚拟内存是一种内存管理技术,它使得程序能够访问超出物理内存大小的内存空间它通过将内存划分为固定大小的页面,并使用页面置换算法在物理内存和磁盘之间交换数据来实现页面大小4KB或8KB页表维护虚拟地址到物理地址的映射关系页面置换算法LRU、FIFO、Clock等虚拟内存技术可以提高内存利用率,减少物理内存需求,并为程序提供更大的地址空间合理的页面置换算法是实现高效虚拟内存管理的关键磁盘管理与存储管理磁盘分区管理文件系统管理将物理磁盘划分为多个逻辑分区,建立文件目录,管理文件的存储、提高存储空间的利用效率读取和访问权限等虚拟存储管理磁盘缓存管理通过虚拟内存技术,将磁盘空间与利用高速缓存技术,加快对磁盘数内存空间动态地结合使用据的读写速度死锁问题及其处理死锁的定义1死锁是指两个或多个进程因争夺资源而造成的一种僵局状态,各进程都在等待其他进程释放资源,但又无法继续推进死锁的必要条件2死锁必须具备四个必要条件:互斥、持有并等待、不可抢占和环路等待只要其中一个条件被打破,就可以避免死锁的发生死锁的检测和预防3通过建立资源分配图、检测资源分配状态、合理设置资源请求和释放顺序等方法,可以检测和预防死锁的发生并发控制与同步机制并发控制同步机制应用场景并发控制是操作系统中保证多个进程或线同步机制用于协调并发执行的进程或线程并发控制和同步机制广泛应用于操作系统、程能够安全地访问共享资源的机制它包之间的活动,确保它们以预期的顺序执行数据库、多线程编程等领域,确保并发执行括互斥锁、信号量等技术,确保共享资源不这包括条件变量、管程等技术,使进程或线的正确性和高效性它们是解决复杂并发会被多个进程同时访问,避免数据不一致和程能够等待特定条件的发生,并在条件满足问题的核心技术之一竞争条件的发生时被唤醒线程管理线程的创建线程同步创建新的线程,可以增加并行处理的能力,由于线程之间共享资源,需要通过同步机提高程序的执行效率操作系统提供多种制协调线程的行为,避免竞争条件和数据线程创建接口,开发者可根据需求选择合访问冲突常见的同步工具包括互斥锁、适的方式信号量和条件变量等线程池管理线程安全线程池技术可以复用线程,避免频繁创建确保线程安全是并发编程的关键,需要避和销毁线程的开销通过线程池管理,可免共享资源的竞争条件,并正确处理线程以动态调整线程数量,提高资源利用率和同步合理的设计和编码实践可以提高线系统性能程安全性处理机调度算法480%主要算法利用率CPU包括先来先服务、短作业优先、优先合理的调度算法能提高CPU的利用率级调度和时间片轮转等20ms5时间片长度性能指标确定合理的时间片长度非常重要吞吐量、响应时间、周转时间等存储管理算法内存分配算法页面置换算法12如最先适配法、最佳适配法和如FIFO、LRU和时钟算法,用于最差适配法,用于高效分配和回决定将哪些页面从内存换出到收内存磁盘虚拟内存管理块分配算法34通过页面置换和段页式管理,实用于磁盘文件的存储和管理,如现虚拟内存和物理内存的映射索引节点和FAT文件系统文件系统结构与实现文件系统层次1从硬件到应用程序的抽象层次文件系统结构2包括元数据、目录和文件内容文件操作3创建、读写、删除和管理文件目录管理4实现目录层次结构和访问控制文件系统是操作系统的核心组成之一,负责管理系统中的文件资源它包括文件系统层次结构、文件元数据、目录管理和基本的文件操作文件系统的设计与实现是操作系统的关键技术之一,直接影响到系统的性能和可靠性设备驱动程序设计驱动程序架构设备接口调试与测试设备驱动程序是操作系统与硬件设备之间的驱动程序需要定义标准化的设备接口,方便设备驱动程序开发需要进行严格的调试和测重要桥梁,负责管理和控制设备的运行驱操作系统调用驱动程序提供的功能,如读写试,确保驱动程序能够可靠地控制硬件设备,动程序架构包括内核模式驱动程序和用户模设备、配置设备参数等并能处理各种异常情况式驱动程序操作系统引导过程POST1计算机启动时进行电源自检BIOS2加载并运行基本输入输出系统MBR3读取主引导记录并执行主引导程序引导装载程序4加载并运行操作系统内核操作系统内核5执行操作系统的所有功能计算机开机后会依次进行POST自检、加载BIOS、读取MBR以及执行引导装载程序等步骤，最终启动操作系统内核并运行整个操作系统这个过程确保了计算机的安全可靠启动操作系统安全机制身份验证访问控制12通过用户名和密码等认证措施根据不同用户权限限制对资源确认用户身份,防止未授权访问的访问和操作权限加密与审计病毒和恶意软件防护34对数据和通信进行加密,并记录通过杀毒软件、防火墙等手段操作日志以便追踪审核保护系统免受病毒和恶意软件的侵害操作系统性能评价操作系统发展趋势云计算移动化操作系统向云计算发展,提供弹性扩展移动设备的普及推动操作系统向移动和按需使用的优势端发展,提供更友好的人机交互智能化安全性人工智能技术的应用,使操作系统具备操作系统安全机制不断完善,为用户提更强的自适应和自学习能力供更加安全可靠的计算环境实验环境介绍本实验使用Windows操作系统和Visual Studio等开发工具实验环境包括个人计算机、编程软件、系统监控工具等基本硬件和软件配置学生需了解基本的计算机硬件结构和操作系统概念,熟悉编程语言和开发工具的使用实验将涵盖CPU、内存、存储设备、输入输出设备等计算机组成部分的基本功能及其在操作系统中的应用学生将掌握操作系统的基本架构和运行机制操作系统实验内容与要求实验内容实验要求学习目标考核方式实验内容涵盖操作系统的多个学生需要完成操作系统的设计•深入理解操作系统的结合实验报告和实验表现,采重要模块,如进程管理、内存与实现,并提交详细的实验报核心功能和设计原理用综合评价的方式,注重学生管理、文件管理、设备驱动等告报告应包括实验目的、设的理解和实践能力•培养学生的系统设计通过设计和实施这些实验,学计方案、实验过程和结果分析和编程能力生可以深入理解操作系统的工等内容,展示学生的理解和动•提高学生的问题分析作原理和设计思想手能力和解决能力实验步骤及注意事项浏览实验指导仔细阅读实验指导书,了解每个实验步骤的具体要求准备所需材料根据实验内容,提前准备好所需的软硬件和工具跟随指导操作严格按照步骤进行操作,注意保持专注和耐心观察并记录结果认真观察实验现象,并仔细记录下实验数据和发现分析与总结结合实验目的和相关理论,分析实验结果,得出结论实验报告撰写要求结构完整语言规范实验报告应包括实验目的、实验文字简练准确,语句通顺,格式规范,原理、实验步骤、实验结果和分无拼写和语法错误析等内容,结构完整数据支撑分析论证实验数据应完整准确,并有相应的对实验结果进行深入分析和合理图表进行展示和分析解释,得出正确的结论。