計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論-基于計(jì)算思維的思想與方法（第4版） 課件【ch05】計(jì)算系統(tǒng)的基本思維

計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論基于計(jì)算思維的思想與方法計(jì)算系統(tǒng)的基本思維第五章新工科建設(shè)之路·計(jì)算機(jī)類系列教材01計(jì)算系統(tǒng)的基本概念——“系統(tǒng)組成”的基本思維計(jì)算系統(tǒng)的基本概念——“系統(tǒng)組成”的基本思維01計(jì)算機(jī)硬件是指那些看得見、摸得著的部件，是構(gòu)成計(jì)算機(jī)的物理裝置。構(gòu)成計(jì)算機(jī)的所有部件稱為硬件，這些硬件的整體結(jié)合稱為硬件系統(tǒng)，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的物理實(shí)現(xiàn)。如果按照層次抽象，計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)由以下4個(gè)子系統(tǒng)組成。一、計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)1.處理器子系統(tǒng)處理器子系統(tǒng)是計(jì)算系統(tǒng)的核心部件，由運(yùn)算器、控制器、寄存器和指令系統(tǒng)組成。處理器子系統(tǒng)的功能是實(shí)行指令控制、操作控制、時(shí)序控制和數(shù)據(jù)處理。計(jì)算系統(tǒng)的基本概念——“系統(tǒng)組成”的基本思維012.存儲器子系統(tǒng)存儲器子系統(tǒng)包括內(nèi)存儲器和外存儲器，是保存程序代碼和數(shù)據(jù)的物理載體，也是計(jì)算機(jī)中存放程序和數(shù)據(jù)的各種存儲設(shè)備、控制部件以及管理信息調(diào)度的設(shè)備和算法的總稱。一、計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)3.輸入/輸出子系統(tǒng)輸入/輸出子系統(tǒng)用來實(shí)現(xiàn)輸入設(shè)備、內(nèi)存儲器、處理器、輸出設(shè)備之間的相互連接和不同信息形式的轉(zhuǎn)換，控制外部設(shè)備與內(nèi)存儲器、外部設(shè)備與處理器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。計(jì)算系統(tǒng)的基本概念——“系統(tǒng)組成”的基本思維014.總線子系統(tǒng)總線子系統(tǒng)是多個(gè)功能部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的公共通路，是構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的互聯(lián)機(jī)構(gòu)?？偩€子系統(tǒng)的主要特征是多個(gè)部件共享傳輸介質(zhì)，一個(gè)部件發(fā)出的信號可以被連接到總線上的其他部件接收。采用總線傳輸方式使各子系統(tǒng)部件間實(shí)現(xiàn)地址、數(shù)據(jù)和控制信息的傳遞與交換，從而大大減少信息傳送線的數(shù)量，增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性，并在爭用硬件資源的基礎(chǔ)上進(jìn)行工作。一、計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)計(jì)算系統(tǒng)的基本概念——“系統(tǒng)組成”的基本思維01二、計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)1.軟件的定義軟件是為使計(jì)算機(jī)高效地工作所配置的各種程序及相關(guān)的文檔資料的總稱。1983年，IEEE對軟件給出了一個(gè)較為新穎的定義：軟件是計(jì)算機(jī)程序、方法、規(guī)范及其相應(yīng)的文稿及在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行時(shí)必需的數(shù)據(jù)。計(jì)算系統(tǒng)的基本概念——“系統(tǒng)組成”的基本思維01二、計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)2.軟件的分類根據(jù)軟件的功能作用，可將其分為系統(tǒng)軟件、支撐軟件和應(yīng)用軟件三類。(1)系統(tǒng)軟件：系統(tǒng)軟件的顯著特點(diǎn)是與具體應(yīng)用領(lǐng)域無關(guān)。(2)支撐軟件：隨著數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的不斷拓展逐漸形成的軟件。(3)應(yīng)用軟件：是相對于系統(tǒng)軟件而言的，是用戶針對各種具體應(yīng)用問題而開發(fā)的一~類專用程序或軟件的總稱。計(jì)算系統(tǒng)的基本概念——“系統(tǒng)組成”的基本思維01三、計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)可將其定義為：操作系統(tǒng)是有效地組織和管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的硬件和軟件資源，合理地組織計(jì)算機(jī)工作流程，控制程序的執(zhí)行，并提供多種服務(wù)功能及友好界面，方便用戶使用計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)軟件。1.操作系統(tǒng)的定義計(jì)算系統(tǒng)的基本概念——“系統(tǒng)組成”的基本思維01三、計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)現(xiàn)在呈現(xiàn)在用戶面前的計(jì)算機(jī)，是經(jīng)過若干抽象的計(jì)算系統(tǒng)，我們可把整個(gè)計(jì)算系統(tǒng)按功能劃分為4個(gè)層次，即硬件系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、支撐軟件和應(yīng)用軟件。其功能作用主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：(1)操作系統(tǒng)是用戶與計(jì)算機(jī)硬件之間的接口(2)操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的資源管理者(3)操作系統(tǒng)為用戶提供了一個(gè)虛擬機(jī)2.操作系統(tǒng)的作用計(jì)算系統(tǒng)的基本概念——“系統(tǒng)組成”的基本思維01三、計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)(1)命令接口：為了便于用戶直接或間接控制自己的程序，操作系統(tǒng)提供了命令接口，用戶通過該接口向計(jì)算機(jī)發(fā)出命令，執(zhí)行功能操作。命令接口又分為聯(lián)機(jī)用戶接口和脫機(jī)用戶接口。(2)程序接口：是為用戶程序訪問系統(tǒng)資源而設(shè)置的接口，為程序中使用操作系統(tǒng)提供的系統(tǒng)調(diào)用命令請求操作系統(tǒng)服務(wù)，也是用戶程序取得操作系統(tǒng)服務(wù)的唯一途徑。(3)圖形接口：雖然用戶可以通過聯(lián)機(jī)用戶接口來取得操作系統(tǒng)的服務(wù)，并控制自己的應(yīng)用程序運(yùn)行，但要求用戶嚴(yán)格按照規(guī)定的格式輸入命令。3.操作系統(tǒng)用戶接口計(jì)算系統(tǒng)的基本概念——“系統(tǒng)組成”的基本思維01三、計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)的研發(fā)與計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的性能是相對應(yīng)的。隨著硬件系統(tǒng)的不斷發(fā)展，研發(fā)出了許多不同類型的操作系統(tǒng)。其中，影響最大、目前使用最廣的主流操作系統(tǒng)有以下3種。(1)Windows操作系統(tǒng)(2)UNIX操作系統(tǒng)(3)Linux操作系統(tǒng)4.常用操作系統(tǒng)計(jì)算系統(tǒng)的基本概念——“系統(tǒng)組成”的基本思維01四、軟件與硬件的關(guān)系1.層次結(jié)構(gòu)關(guān)系一個(gè)完整的計(jì)算系統(tǒng)，如果按照系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)抽象，可以抽象為硬件系統(tǒng)層、系統(tǒng)軟件層、支撐軟件層和應(yīng)用軟件層四層，其結(jié)構(gòu)如圖5-2所示。計(jì)算系統(tǒng)的基本概念——“系統(tǒng)組成”的基本思維01四、軟件與硬件的關(guān)系2.相互依賴關(guān)系現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的硬件和軟件兩者相互依賴和支持。有了軟件的支持，硬件才能正常運(yùn)轉(zhuǎn)和高效率工作。(1)硬件是系統(tǒng)的軀體：硬件是構(gòu)成計(jì)算機(jī)的物理裝置，也是計(jì)算機(jī)的物理實(shí)現(xiàn)。(2)軟件是系統(tǒng)的靈魂：軟件是為運(yùn)行、管理和維護(hù)計(jì)算機(jī)而編制的各種程序的總和。計(jì)算系統(tǒng)的基本概念——“系統(tǒng)組成”的基本思維01四、軟件與硬件的關(guān)系3.功能等價(jià)關(guān)系正是由于軟件、硬件在功能上的等價(jià)關(guān)系，因而促進(jìn)了軟件、硬件技術(shù)的發(fā)展。一方面，許多生產(chǎn)廠家為實(shí)現(xiàn)某一功能或達(dá)到某一技術(shù)指標(biāo)，分別用軟件或硬件的辦法來實(shí)現(xiàn)，并各自評價(jià)其優(yōu)、特點(diǎn)。另一方面，硬件技術(shù)的發(fā)展及性能的改善，為軟件的應(yīng)用提供了廣闊的前景，并為新軟件的誕生奠定了基礎(chǔ)。02處理器系統(tǒng)——“控制執(zhí)行”的基本思維處理器系統(tǒng)——“控制執(zhí)行”的基本思維021.CPU的基本組成(1)運(yùn)算器是用來完成算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的部件，運(yùn)算器由多功能算術(shù)邏輯運(yùn)算部件、通用寄存器組(包括累加寄存器、數(shù)據(jù)緩沖寄存器、狀態(tài)寄存器)及其控制線路組成。(2)控制器：控制器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)布操作命令的部件，其功能是根據(jù)指令提供的信息，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)各部件(不僅包括CPU)的操作和控制。一、處理器的結(jié)構(gòu)組成處理器系統(tǒng)——“控制執(zhí)行”的基本思維022.CPU中的主要部件CPU是計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的指揮中心，有人將它形容為人腦的神經(jīng)中樞。CPU的指揮控制功能由指令控制、操作控制、時(shí)間控制、數(shù)據(jù)加工等部件實(shí)現(xiàn)，如圖5-4所示。一、處理器的結(jié)構(gòu)組成處理器系統(tǒng)——“控制執(zhí)行”的基本思維02二、計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)1.指令的基本格式計(jì)算機(jī)指令由一串二進(jìn)制代碼(即機(jī)器語言)表示的操作碼和地址碼所組成。(1)操作碼：用來表示進(jìn)行何種操作，如進(jìn)行加法、減法、乘法、除法等操作。(2)地址碼：表示從哪個(gè)地址中取出操作數(shù)及操作的結(jié)果存放到哪個(gè)地址中去。處理器系統(tǒng)——“控制執(zhí)行”的基本思維02二、計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)2.指令的基本類型不同的指令系統(tǒng)，指令的數(shù)目和種類有所不同。按照功能，指令可以分為如下4類。(1)數(shù)據(jù)處理指令(2)數(shù)據(jù)傳送指令(3)程序控制指令(4)狀態(tài)管理指令處理器系統(tǒng)——“控制執(zhí)行”的基本思維02二、計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)3.指令的控制執(zhí)行計(jì)算機(jī)指令的執(zhí)行是由控制器來實(shí)現(xiàn)的，控制器的主要任務(wù)是取指令、分析指令、執(zhí)行指令、控制程序和數(shù)據(jù)的輸入與結(jié)果輸出、對異常情況和某些請求的處理，其流程如圖5-7所示。處理器系統(tǒng)——“控制執(zhí)行”的基本思維02三、操作系統(tǒng)對處理器的管理在進(jìn)程管理中，涉及以下4個(gè)極為重要的基本概念。(1)程序：是指為實(shí)現(xiàn)某一數(shù)值計(jì)算或事務(wù)處理，由程序員設(shè)計(jì)的問題求解步驟的命令集合。(2)作業(yè)：是指用戶在利用計(jì)算機(jī)求解問題或事務(wù)處理中，要求計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所做工作的總和，是用戶向計(jì)算機(jī)提交一項(xiàng)工作的基本單位，它由完成一個(gè)獨(dú)立任務(wù)的程序及其所需的數(shù)據(jù)組成。1.作業(yè)方式處理器系統(tǒng)——“控制執(zhí)行”的基本思維02三、操作系統(tǒng)對處理器的管理在進(jìn)程管理中，涉及以下4個(gè)極為重要的基本概念。(3)進(jìn)程：是指正在執(zhí)行中的程序，是駐留在RAM中的作業(yè)。只要作業(yè)被裝入RAM就成為進(jìn)程，每個(gè)進(jìn)程都是作業(yè)，而每個(gè)作業(yè)未必都是進(jìn)程。(4)順序執(zhí)行和并發(fā)執(zhí)行：程序運(yùn)行的執(zhí)行方式可分為順序執(zhí)行和并行執(zhí)行兩種方式。1.作業(yè)方式處理器系統(tǒng)——“控制執(zhí)行”的基本思維02三、操作系統(tǒng)對處理器的管理在多道程序環(huán)境下，程序運(yùn)行前必須先為它創(chuàng)建一個(gè)或幾個(gè)進(jìn)程，并為之分配必要的資源。當(dāng)進(jìn)程運(yùn)行結(jié)束時(shí)，立即撤銷該進(jìn)程，以便及時(shí)回收該進(jìn)程所占用的各類資源，而這一工作是由進(jìn)程控制來實(shí)現(xiàn)的。進(jìn)程控制的主要任務(wù)是為程序創(chuàng)建進(jìn)程、撤銷已結(jié)束的進(jìn)程，以及控制進(jìn)程在運(yùn)行過程中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。2.進(jìn)程控制處理器系統(tǒng)——“控制執(zhí)行”的基本思維02三、操作系統(tǒng)對處理器的管理3.進(jìn)程同步為了保證相互有關(guān)的進(jìn)程能夠正常地運(yùn)行，系統(tǒng)中必須設(shè)置進(jìn)程同步機(jī)制。進(jìn)程同步的主要任務(wù)是對存在制約關(guān)系的多個(gè)進(jìn)程的運(yùn)行進(jìn)行協(xié)調(diào)，并且分為進(jìn)程同步方式和進(jìn)程互斥方式。進(jìn)程同步是指兩個(gè)并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程為共同完成一個(gè)任務(wù)而相互配合的進(jìn)程間通信。進(jìn)程互斥是指兩個(gè)并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程在同一時(shí)刻要求共享同一資源而相互排斥。處理器系統(tǒng)——“控制執(zhí)行”的基本思維02三、操作系統(tǒng)對處理器的管理4.進(jìn)程通信在多道程序環(huán)境下，可由系統(tǒng)為一個(gè)應(yīng)用程序建立多個(gè)進(jìn)程，這些進(jìn)程相互合作去完成一個(gè)共同的任務(wù)，并且在活動過程中彼此間存在相互依賴或者相互制約的關(guān)系，這就需要交換信息。進(jìn)程通信的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)相互合作的進(jìn)程之間的信息交換。處理器系統(tǒng)——“控制執(zhí)行”的基本思維02三、操作系統(tǒng)對處理器的管理5.處理器調(diào)度在多道程序系統(tǒng)中，一個(gè)作業(yè)提交后必須經(jīng)處理機(jī)調(diào)度后才能獲得執(zhí)行。處理機(jī)調(diào)度的主要任務(wù)是為并發(fā)執(zhí)行的多個(gè)進(jìn)程分配處理器資源，通常分為三級：作業(yè)調(diào)度、交換調(diào)度和進(jìn)程調(diào)度。作業(yè)調(diào)度也稱為高級調(diào)度，其基本任務(wù)是從存放在外存中的后備作業(yè)隊(duì)列中，按照一定的算法選擇若干作業(yè)調(diào)入內(nèi)存并準(zhǔn)備執(zhí)行。交換調(diào)度也稱為中級調(diào)度，其基本任務(wù)是根據(jù)進(jìn)程的當(dāng)前狀態(tài)決定外存和內(nèi)存的進(jìn)程交換。進(jìn)程調(diào)度是操作系統(tǒng)對處理器管理中最為重要、最為頻繁的調(diào)度。處理器系統(tǒng)——“控制執(zhí)行”的基本思維02三、操作系統(tǒng)對處理器的管理6.線程控制引入線程，則是為了減少程序在并發(fā)執(zhí)行時(shí)所付出的開銷，從而使操作系統(tǒng)具有更好的并發(fā)性。使用線程可以更好地實(shí)現(xiàn)并發(fā)處理和資源共享，能更有效地提高CPU的利用率，特別是對于多處理機(jī)系統(tǒng)尤為重要。以線程作為調(diào)度和分派的基本單位，可以有效改善多處理機(jī)系統(tǒng)的性能。03存儲器系統(tǒng)——“存儲優(yōu)化組合”的基本思維存儲器系統(tǒng)——“存儲優(yōu)化組合”的基本思維03一、內(nèi)存儲器只讀存儲器是一種只能讀出存儲器內(nèi)的信息，而不能寫入信息的存儲器。ROM用來存放系統(tǒng)的引導(dǎo)、檢測、診斷、設(shè)置等程序。ROM中的程序內(nèi)容是在生產(chǎn)制作ROM時(shí)預(yù)先設(shè)定好的，是一次性固化得到的，即使停電或關(guān)機(jī)，ROM中的信息永遠(yuǎn)都不會丟失。1.只讀存儲器存儲器系統(tǒng)——“存儲優(yōu)化組合”的基本思維03一、內(nèi)存儲器隨機(jī)存儲器是由半導(dǎo)體器件組成的可以隨時(shí)寫入和讀出其內(nèi)容的存儲器，主要用來存放當(dāng)前要使用的操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件、計(jì)算程序、輸入輸出數(shù)據(jù)、中間結(jié)果以及與外存交換的信息等。為了實(shí)現(xiàn)高效存取，可采用按“地址”寫入和讀出數(shù)據(jù)。RAM的基本組成如圖5-11所示。2.隨機(jī)存儲器存儲器系統(tǒng)——“存儲優(yōu)化組合”的基本思維03一、內(nèi)存儲器存儲單位用來表示存儲容量的大小。計(jì)算機(jī)中所有的數(shù)據(jù)信息都是以二進(jìn)制數(shù)的形式進(jìn)行存儲的，所以存儲單位是指數(shù)據(jù)存放時(shí)占用的二進(jìn)制位數(shù)，常用的存儲單位有：位、字節(jié)和字。(1)位(bit，b)：計(jì)算機(jī)中存儲數(shù)據(jù)的最小單位，用來存放一位二進(jìn)制數(shù)(0或1)。(2)字節(jié)(Byte，B)：計(jì)算機(jī)中的一個(gè)存儲單元(MemoryCell)，ASCII中的英文字母、阿拉伯?dāng)?shù)字、特殊符號和專用符號大約有128~256個(gè)，剛好可以用8個(gè)二進(jìn)制位(1字節(jié))表示。3.存儲單位存儲器系統(tǒng)——“存儲優(yōu)化組合”的基本思維03二、外存儲器1.硬盤存儲器(HardDiskStorage)硬盤存儲器通常簡稱為硬盤，是最主要的輔助存儲媒介，是目前存放大量程序和數(shù)據(jù)的理想設(shè)備，因而計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中都配置了硬盤，它是所有數(shù)據(jù)文件的“棲身”之地。其盤片是用類似薄膜唱片的柔性材料制成的，磁盤片外形如圖5-12所示。存儲器系統(tǒng)——“存儲優(yōu)化組合”的基本思維03二、外存儲器2.光盤存儲器(CompactDiskStorage)光盤存儲器是繼磁記錄存儲器之后出現(xiàn)的一種新型存儲設(shè)備，由于它是利用激光在磁性介質(zhì)上存儲信息，因此又稱為光存儲器。光盤存儲器是一種記錄密度高、存儲容量大的新型外存儲設(shè)備，廣泛用于存儲大量文字、圖形、圖像、語音等多元信息。目前，絕大多數(shù)光盤存儲器是只能讀不能寫。存儲器系統(tǒng)——“存儲優(yōu)化組合”的基本思維03二、外存儲器3.U盤存儲器(UDiskStorage)∪盤是通用串行總線(UniversalSerialBus，USB)的簡稱，是使用USB接口而不需物理驅(qū)動器的微型高容量移動存儲設(shè)備，通過USB接口與微機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)即插即用，因而得到廣泛應(yīng)用。4.移動硬盤(MobileHardDisk)移動硬盤是近幾年才開始使用的新型存儲器，其特點(diǎn)是容量更大，使用方便。使用時(shí)只要使用一根USB接口線便可連接在USB接口上，并且即插即用。存儲器系統(tǒng)——“存儲優(yōu)化組合”的基本思維03三、存儲體系1.高速緩仲存儲器(CacheMemory)為了協(xié)調(diào)主存與CPU速度上的差異，目前解決這個(gè)問題的最有效辦法是采用Cache技術(shù)。Cache是一種在主存與CPU閆起緩沖作用的存儲器，所以稱為高速緩沖存儲器。Cache是在CPU與主存兩者之間增加一級在速度上與CPU相等，在功能上與主存相同的高速緩沖存儲器，以其實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)不同工作速度的部件之間，在交換信息的過程中起緩沖(協(xié)調(diào))作用。存儲器系統(tǒng)——“存儲優(yōu)化組合”的基本思維03三、存儲體系2.虛擬存儲器(VirtualMemory)虛擬存儲器不是一個(gè)實(shí)際的物理存儲器，而是建立在主——輔層次結(jié)構(gòu)上，由主存儲器、輔助存儲器和操作系統(tǒng)的存儲管理軟件組成的存儲體系。虛擬存儲體系的實(shí)現(xiàn)有三個(gè)基本要素：一是有一定的內(nèi)存容量，能夠存放基本程序和數(shù)據(jù)；二是有足夠的外存空間，能夠存放多個(gè)用戶程序；三是有地址變換機(jī)構(gòu)，以動態(tài)實(shí)現(xiàn)存儲過程中邏輯地址到物理地址的變換，也稱為地址映射。存儲器系統(tǒng)——“存儲優(yōu)化組合”的基本思維03三、存儲體系3.存儲體系結(jié)構(gòu)(StorageArchitecture)計(jì)算機(jī)中的存儲器包括主存儲器(MainMemory)、輔助存儲器(AuxiliaryStorage)和高速緩沖存儲器(CacheMermory)，它們各有其功能特點(diǎn)：主存儲器容量較大，運(yùn)行速度較快，用來在計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)存放操作系統(tǒng)和其他程序代碼；輔存是針對主存而言的，主要指硬磁盤，儲器容量最大，速度慢，用來存儲各種程序和數(shù)據(jù)；Cache存儲容量最小，運(yùn)行速度最快，用來協(xié)調(diào)RAM與CPU之間速度上的不一致。存儲器系統(tǒng)——“存儲優(yōu)化組合”的基本思維03四、操作系統(tǒng)對存儲器的管理1.內(nèi)存分配(MemoryAllocation)內(nèi)存分配管理的主要任務(wù)：一是為了提高存儲器的利用率，最大限度地減少不可用的內(nèi)存空間；二是當(dāng)有存儲申請時(shí)，根據(jù)需要選定分配區(qū)域；三是占用者不再使用某個(gè)區(qū)域時(shí)，則及時(shí)收回。根據(jù)存儲形式，內(nèi)存分配管理分為：連續(xù)存儲管理、分區(qū)存儲管理和分頁存儲管理。存儲器系統(tǒng)——“存儲優(yōu)化組合”的基本思維03四、操作系統(tǒng)對存儲器的管理2.內(nèi)存保護(hù)(MemoryProtection)為了確保每道程序都只能在自己的內(nèi)存區(qū)中運(yùn)行，必須建立內(nèi)存保護(hù)機(jī)制，我們將這一機(jī)制稱為內(nèi)存保護(hù)。內(nèi)存保護(hù)的主要任務(wù)是絕不允許用戶程序訪問操作系統(tǒng)的程序和數(shù)據(jù)，也不允許轉(zhuǎn)移到非共享的其他用戶程序中去執(zhí)行，各進(jìn)程不能對別的進(jìn)程的程序和數(shù)據(jù)段產(chǎn)生干擾和破壞。存儲器系統(tǒng)——“存儲優(yōu)化組合”的基本思維03四、操作系統(tǒng)對存儲器的管理3.內(nèi)存擴(kuò)充(MemoryExpansion)到外存中去，從而騰出空間存放將要調(diào)入內(nèi)存的數(shù)據(jù)信息。這種調(diào)入和調(diào)出，是由操作系統(tǒng)自動完成的。從效果上看，它使用戶能夠在較小的內(nèi)存中執(zhí)行較大的用戶程序，從而能夠在內(nèi)存中容納更多的程序并發(fā)執(zhí)行。虛擬存儲分別采用了分頁虛擬存儲、分段虛擬存儲和段頁式虛擬存儲。存儲器系統(tǒng)——“存儲優(yōu)化組合”的基本思維03四、操作系統(tǒng)對存儲器的管理4.地址映射(AddressMapping)在多道程序環(huán)境下，每道程序不可能都從“0”地址裝入到內(nèi)存，這就致使地址空間中的邏輯地址和內(nèi)存空間中的物理地址不一致。為了使程序能正確運(yùn)行，必須將地址空間中的邏輯地址轉(zhuǎn)換為內(nèi)存空間中與之對應(yīng)的物理地址，我們將這一變換過程稱為地址映射或地址重地位。這個(gè)變換通常是由硬件和軟件相互配合來實(shí)現(xiàn)的，并且變換過程較為復(fù)雜。04文件管理系統(tǒng)——“長治久安”的基本思維文件管理系統(tǒng)一“長治久安”的基本思維04一、文件與文件系統(tǒng)邏輯上具有完整意義的信息集合稱為文件。計(jì)算機(jī)中，所有的程序和數(shù)據(jù)都是以文件的形式進(jìn)行存放和管理的。文件通常由若干記錄組成，而記錄是一些相關(guān)數(shù)據(jù)項(xiàng)的集合，其數(shù)據(jù)項(xiàng)是數(shù)據(jù)組織中可以命名的最小邏輯單位。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，一個(gè)完整的程序或一組完整的數(shù)據(jù)記錄都是一個(gè)文件，它是操作系統(tǒng)實(shí)行信息管理的基本單位。1.文件(Files)文件管理系統(tǒng)一“長治久安”的基本思維04一、文件與文件系統(tǒng)文件系統(tǒng)由三部分組成：與文件管理有關(guān)的軟件、被管理的文件、實(shí)施管理所需的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其層次結(jié)構(gòu)如圖5-24所示。2.文件系統(tǒng)(FilesSystem)文件管理系統(tǒng)一“長治久安”的基本思維04二、文件組織與結(jié)構(gòu)1.文件的邏輯結(jié)構(gòu)(FileLogicalStructure)文件的邏輯結(jié)構(gòu)是從用戶觀點(diǎn)出發(fā)所觀察到的文件組織形式，也是用戶可以直接處理的數(shù)據(jù)及其結(jié)構(gòu)，獨(dú)立于文件的物理特性。文件的邏輯結(jié)構(gòu)通常分為兩種形式：流式文件和記錄式文件。2.文件的物理結(jié)構(gòu)(FilePhysicalStructure)文件的物理結(jié)構(gòu)是指文件在磁盤上的組織形式，所以又稱為文件的存儲結(jié)構(gòu)。常用的文件物理結(jié)構(gòu)有順序文件、鏈接文件、索引文件和哈希文件。文件管理系統(tǒng)一“長治久安”的基本思維04三、文件目錄和目錄結(jié)構(gòu)1.文件目錄(FilesDirectory)為了便于文件存儲和查找，可在磁盤中建立多個(gè)區(qū)域，然后在各區(qū)域中建立多個(gè)“文件夾”，而且允許在各文件夾中建立下一級文件夾，把不同文件分別存放到各相關(guān)文件夾中，該文件夾被稱為文件目錄，該目錄名就是文件夾名。在每一個(gè)文件夾中，可以存放多個(gè)不同名字的文件；而在不同的文件夾中，可以使用(命名)相同名字的文件。文件管理系統(tǒng)一“長治久安”的基本思維04三、文件目錄和目錄結(jié)構(gòu)2.目錄結(jié)構(gòu)(DirectoryStructure)DOS和Windows采用分層式的文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即樹形目錄結(jié)構(gòu)(TreeDirectoryStructure)。目錄和文件的隸屬關(guān)系像一棵倒置的樹，樹枝稱為子目錄，樹的末稍稱為文件，如圖5-29所示。文件管理系統(tǒng)一“長治久安”的基本思維04三、文件目錄和目錄結(jié)構(gòu)3.文件管理(FilesManagement)建立文件目錄結(jié)構(gòu)，為文件的管理和使用提供了極大方便。為了便于用戶操作、管理和維護(hù)，在文件管理中采用了如下管理措施。(1)文件分類(2)文件命名(3)文件屬性(4)文件操作05總線系統(tǒng)和輸入/輸出系統(tǒng)——“組織與協(xié)調(diào)”的基本思維總線系統(tǒng)和輸入/輸出系統(tǒng)一“組織與協(xié)調(diào)”的基本思維05一、總線系統(tǒng)1.總線類型(BusType)為了適應(yīng)各種設(shè)備的連接，可采用不同類型的總線。如果按照通信方式劃分，總線可分為串行總線和并行總線。如果按照功能作用劃分，總線可分為以下3種。(1)內(nèi)部總線(2)外部總線(3)系統(tǒng)總線：總線系統(tǒng)和輸入/輸出系統(tǒng)一“組織與協(xié)調(diào)”的基本思維05一、總線系統(tǒng)2.總線結(jié)構(gòu)(BusStructure)總線結(jié)構(gòu)就是連接各部件的“組織”形式，是指CPU與內(nèi)存儲、外存儲器、接口電路、輸入/輸出設(shè)備之間的連接方式。不同類型的計(jì)算機(jī)具有不同的總線結(jié)構(gòu)，通常分為單總線結(jié)構(gòu)、雙總線結(jié)構(gòu)、三總線結(jié)構(gòu)等。這三種總線結(jié)構(gòu)可以啟發(fā)我們?nèi)绾翁岣呦到y(tǒng)性能的思維?？偩€系統(tǒng)和輸入/輸出系統(tǒng)一“組織與協(xié)調(diào)”的基本思維05一、總線系統(tǒng)3.總線標(biāo)準(zhǔn)(BusStandard)不同廠家生產(chǎn)的同一功能的外部設(shè)備，由于實(shí)現(xiàn)方法不同，因而其技術(shù)性能會存在一定差異。若要實(shí)現(xiàn)各廠家生產(chǎn)的部件可以替換使用，就需要各生產(chǎn)廠家遵守相