第 3 章 计算机系统

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计算机系统是系统分析师开展工作的核心载体，由硬件系统和软件系统组成。本章围绕计算机系统的核心组件（存储器、输入输出、指令系统、多处理机）和关键支撑软件（操作系统）展开，详细拆解其结构、原理、技术细节和应用场景。掌握这些知识能帮助分析师理解系统运行机制，优化系统设计、提升性能，是开展系统分析与设计工作的基础。

3.1 计算机系统概述

3.1.1 计算机系统层次结构

从底层到顶层依次为：硬联逻辑→微指令系统→机器指令语言→编译程序→汇编程序→解释程序→应用程序→应用层。

• 底层（硬联逻辑、微指令）：硬件核心，直接控制硬件执行，速度最快。
• 中间层（机器指令、编译 / 汇编 / 解释程序）：软硬件接口，负责将高级语言转换为硬件能识别的指令。
• 顶层（应用程序、应用层）：面向用户，解决具体业务问题（如办公软件、电商系统）。

3.1.2 计算机系统硬件

核心遵循冯・诺依曼体系结构，由五大核心组件构成，各组件通过数据流和控制流协同工作：

组件	核心功能	通俗解释
运算器	完成算术（加减乘除）和逻辑运算（与或非）	计算机的 “计算器”
控制器	控制各组件协同工作，解析指令并执行	计算机的 “大脑指挥官”
存储器	存储程序和数据（分主存、辅存）	计算机的 “仓库”
输入设备	向计算机输入原始数据和命令（如键盘、鼠标、扫描仪）	计算机的 “耳朵和眼睛”
输出设备	输出计算机运行结果（如显示器、打印机、音箱）	计算机的 “嘴巴和双手”

• 中央处理单元（CPU）：运算器 + 控制器的集成体，是硬件系统核心，决定系统运算速度。
• 外部设备（外设）：输入设备 + 输出设备的统称，负责计算机与外部环境的交互。

3.1.3 计算机系统软件

软件按功能分为系统软件和应用软件，二者分工明确：

1. 系统软件：负责管理、调度、监视计算机系统，为应用软件提供运行环境，核心包括 5 类：
   • 操作系统（如 Windows、Linux）：管理软硬件资源的核心软件。
   • 语言处理程序（编译程序、汇编程序、解释程序）：将高级语言（如 Java、Python）转换为机器语言。
   • 服务性程序（如杀毒软件、备份工具）：辅助系统运行和维护。
   • 数据库管理系统（如 MySQL、Oracle）：管理数据存储和查询。
   • 计算机网络软件（如 TCP/IP 协议栈、浏览器）：支持网络通信。
2. 应用软件：为解决具体业务问题开发的程序（如财务管理软件、营销管理软件、办公软件）。
3. 固件（firmware）：存储在 EPROM/EEPROM 中的程序，兼具软硬件优点（执行速度快于软件，灵活性优于硬件），如设备驱动程序。

3.2 存储器系统

存储器是计算机的 “数据仓库”，用于存放程序和数据，是实现 “程序控制” 的基础。系统采用三级存储架构（高速缓冲存储器 Cache→主存储器→辅助存储器），平衡速度、容量和成本。

3.2.1 主存储器（内存）

• 定义：计算机运行时直接与 CPU 交互的存储器，CPU 可直接随机读写，速度较快但容量有限。

• 核心分类：

  类型	读写特性	断电后数据	适用场景
  随机存取存储器（RAM）	可读可写	丢失（易失性）	暂存运行中的程序和数据
  动态 RAM（DRAM）	可读可写	丢失，需定时刷新	主流内存（如 DDR4、DDR5），容量大、成本低
  静态 RAM（SRAM）	可读可写	不丢失（无需刷新）	高速缓存（Cache），速度快、成本高
  只读存储器（ROM）	只读不写	不丢失（非易失性）	存放 BIOS、专用子程序等固定程序

3.2.2 辅助存储器（辅存）

• 定义：用于持久化存储大量数据，容量大、成本低、速度慢，不能被 CPU 直接访问（需先调入主存）。

• 核心类型：

  1. 磁带存储器：顺序存取，容量大、价格低、便携，但速度极慢，适用于离线备份。

  2. 硬盘存储器：

     • 机械硬盘（HDD）：由磁道、扇区、柱面组成，直接存取，容量大、成本低，存取时间 = 寻道时间 + 等待时间 + 读写时间。
     • 固态硬盘（SSD）：基于闪存芯片，速度快、无机械磨损，价格较高。
     • 混合硬盘（HHD）：结合 HDD 和 SSD，闪存缓存常用文件，兼顾容量和速度。

  3. 磁盘阵列（RAID）：

     • 核心目的：缩小 CPU 与磁盘的速度差距，提升 I/O 性能和可靠性。

     • 关键技术：分块、交叉、重聚技术。

     • 主流级别（核心特点）：

       级别	核心特点	适用场景
       RAID 0	无冗余，数据分块存储，速度最快，故障率高	对可靠性要求低、追求速度的场景（如视频编辑）
       RAID 1	磁盘镜像，1 个工作盘 + 1 个镜像盘，安全性最高，容量利用率 50%	存放系统软件、重要数据（如数据库日志）
       RAID 5	无独立校验盘，校验信息分布在所有盘，兼顾性能和可靠性	通用场景（如企业服务器、数据库）
       RAID 10（RAID 0+1）	先镜像后分块，兼顾速度和可靠性，性价比高	对速度和可靠性均有要求的场景（如电商核心系统）

  4. 光盘存储器：

     • CD-ROM（只读）：厂家预写数据，用户只能读。
     • CD-R（一次写入多次读取）：用户可写一次，之后不可修改。
     • CD-RW（可擦写）：可多次读写，类似磁盘。
     • DVD-ROM：容量比 CD 更大，分单面单层、单面双层等结构。

3.2.3 高速缓冲存储器（Cache）

• 核心作用：解决 CPU 与主存之间的速度差距（冯・诺依曼瓶颈），提升数据传输效率。
• 工作原理：基于程序的局部性原理（时间局部性：刚访问的存储单元可能再次访问；空间局部性：刚访问的单元附近单元可能被访问），将常用数据预存到 Cache 中。
• 访问流程：CPU 需数据时，先查 Cache→命中则直接读取；未命中则从主存读取，同时写入 Cache。
• 核心指标：命中率（H）= Cache 命中次数 / 总访问次数，命中率越高，系统性能越好。
• 关键技术：
  1. 映射机制（主存块到 Cache 块的映射）：
     • 直接映射：主存块只能映射到 Cache 固定块（K=I mod C），实现简单但灵活性差。
     • 全相联映射：主存块可映射到 Cache 任意块，灵活性高但速度慢、成本高。
     • 组相联映射：Cache 分组，主存块先映射到组（直接映射），再映射到组内任意块（全相联），兼顾灵活性和速度（主流方案）。
  2. 替换算法（Cache 满时淘汰旧数据）：
     • 随机算法：随机淘汰，实现简单但效率低。
     • 先进先出（FIFO）：淘汰最早进入 Cache 的数据，易出现 Belady 异常（页数增加但缺页率上升）。
     • 近期最少使用（LRU）：淘汰最近最少使用的数据，符合局部性原理，效率最高。
  3. 写操作（保证 Cache 与主存数据一致）：
     • 写直达（Write Through）：写 Cache 时同时写主存，数据一致但速度慢。
     • 写回（Write Back）：写 Cache 时不立即写主存，淘汰时再写回，速度快但需标志位跟踪修改。
     • 标记法：修改时只写主存，Cache 中数据置为无效，读取时重新从主存调入。

3.2.4 网络存储技术

用于解决分布式环境下的存储共享和扩展问题，核心有 3 种：

技术类型	核心特点	适用场景
直接附加存储（DAS）	存储设备通过 SCSI 电缆直接连服务器，依赖服务器，无独立存储操作系统	早期小型系统，现已基本被 NAS 替代
网络附加存储（NAS）	专用文件服务器，通过网络接口连网，支持 NFS/CIFS 协议，文件级共享	中小企业文件共享（如办公文档、视频存储）
存储区域网络（SAN）	专用存储网络，块级存储，速度快、扩展性强，分 FC SAN、IP SAN、IB SAN	大型企业核心业务（如数据库、虚拟化）

• IP SAN（iSCSI）：基于 TCP/IP 网络，成本低、配置简单，支持远距离传输，是目前主流 SAN 方案。

3.2.5 虚拟存储技术

• 核心思想：将多个存储介质（硬盘、RAID 等）集中管理为 “存储池”，屏蔽物理存储差异，为用户提供大容量、高性能的逻辑存储。
• 实现方式：
  • 主机级虚拟化：通过服务器端卷管理软件实现，成本低。
  • 存储设备级虚拟化：由存储控制器实现，兼容性较差（多为厂商专属）。
  • 网络级虚拟化：通过 SAN 专用装置实现，支持多厂商设备，开放性好。
• 核心特点：集中管理、高带宽、灵活性强、兼容性好（保护已有投资）。

3.3 输入输出系统（I/O 系统）

由 I/O 设备、I/O 接口（控制器）、I/O 控制管理软件组成，负责计算机与外部环境的信息交换。

3.3.1 输入输出工作方式

共 5 种工作方式，核心差异在于 CPU 参与程度和效率：

工作方式	核心原理	优点	缺点	适用场景
程序控制方式	CPU 执行 I/O 程序实现数据传送，分无条件传送和程序查询	软硬件简单	CPU 利用率低	简单开关量控制（如 LED 灯）
程序中断方式	外设准备就绪后向 CPU 发中断请求，CPU 暂停现行程序处理 I/O	提升 CPU 效率	需中断控制逻辑	中低速外设（如键盘、打印机）
DMA 工作方式	由 DMA 控制器直接控制主存与外设数据传输，CPU 不参与	高速批量传输	需专用 DMA 控制器	高速外设（如硬盘、显卡）
通道方式	专用 I/O 控制部件，独立执行 I/O 指令，减少 CPU 介入	主机与外设并行度高	硬件复杂	大型计算机系统
I/O 处理机	独立于 CPU 的处理机，专用处理 I/O，可完成码制转换、文件管理等	功能强、效率高	成本高	大型 / 巨型计算机

3.3.2 总线

• 定义：多个部件分时共享的公共信息传输线路，同一时刻只能有一个部件发送信息，多个部件可接收信息。
• 核心分类：
  1. 按功能：地址总线（传地址）、数据总线（传数据）、控制总线（传控制信号）。
  2. 按传输方式：并行总线（多位数据同时传，速度快）、串行总线（多位数据依次传，适用于远距离）。
• 关键性能指标：
  • 总线宽度：数据线数量，决定单次传输数据位数（如 32 位、64 位）。
  • 总线带宽：最大数据传输速率（总线带宽 = 总线宽度 × 总线频率）。
  • 总线负载：可连接的最大设备数量。
  • 支持热插拔：设备可在系统运行时插拔，不影响系统运行（如 USB 设备）。

3.3.3 I/O 接口（I/O 控制器）

• 核心作用：解决主机与外设的速度、信息格式差异，是二者的 “翻译官” 和 “协调员”。

• 核心功能：通信联络控制（协调主机与外设时序）、地址译码（选择目标外设）、数据缓冲（避免数据丢失）、数据格式转换（如并串转换）、传递控制命令和状态信息。

• 分类：

  • 按数据传输方式：串行接口（一次传 1 位，如 USB、RS232）、并行接口（一次传多位，如 IDE、SCSI）。
  • 按通用性：通用接口（如 USB、IEEE-1394）、专用接口（如显卡接口、声卡接口）。

• 常见接口（核心参数）：

  接口类型	传输速率	核心特点	适用场景
  USB 3.0	4.8Gb/s	热插拔、支持 127 个设备	鼠标、U 盘、打印机等外设
  SATA 3.0	6Gb/s	热插拔、串行传输	硬盘、固态硬盘
  SCSI	5Gb/s	支持多设备菊花链连接	大容量存储设备、服务器外设
  IEEE-1394	800Mb/s	热插拔、支持 63 个节点	高清摄像头、外置硬盘
  eSATA	3.2Gb/s	外部 SATA 接口，物理连接稳固	外置固态硬盘、硬盘盒

• I/O 端口：接口中可被 CPU 直接访问的寄存器，分数据端口（传数据）、命令端口（发控制命令）、状态端口（反馈外设状态）。

• 端口编址：独立编址（I/O 映射，专用 I/O 指令）、统一编址（存储器映射，用数据传送指令）。

3.4 指令系统

指令是计算机执行操作的命令，所有指令的集合构成指令系统（指令集），是软硬件的核心分界面。

3.4.1 基本指令系统

1. 设计要求

• 完整性：具备通用计算机所需的基本指令类型。
• 规整性：对称性（如所有通用寄存器待遇一致）、均匀性（不同数据类型、存储设备的指令设置一致）。
• 高效率：常用指令执行速度快、使用频率高。
• 兼容性：不同型号计算机的指令系统兼容，便于软件移植。

2. 基本指令分类

指令类型	核心功能	示例
数据传送类	实现寄存器、主存间的数据传送	一般传送（MOV）、堆栈操作（PUSH/POP）、数据交换（XCHG）
运算类	算术运算（加减乘除）、逻辑运算（与或非）、移位（算术 / 逻辑 / 循环移位）	ADD（加法）、AND（逻辑与）、SHL（左移）
程序控制类	控制程序执行顺序	转移（JMP）、程序调用（CALL）、返回（RET）、循环控制（LOOP）
I/O 类	主机与外设信息交换	IN（输入）、OUT（输出）
处理机控制和调试类	控制处理机状态、管理系统资源	特权指令（如设置中断屏蔽）、调试指令（如断点设置）

3.4.2 复杂指令系统（CISC）

• 定义：设置大量复杂指令，将常用软件功能用硬件实现，追求指令功能强大。
• 核心特点：
  • 指令数量多（100~250 条），使用频率悬殊（20% 指令占 80% 执行时间，80-20 规律）。
  • 寻址方式多（5~20 种）、指令长度不固定。
  • 可直接操作主存数据，以微程序控制为主。
• 缺陷：
  • 复杂指令执行周期长，硬件设计复杂。
  • 80% 的复杂指令使用频率低，浪费硬件资源。

3.4.3 精简指令系统（RISC）

• 定义：精简指令集，只保留常用简单指令，复杂功能通过多条简单指令实现，追求执行效率。
• 核心特点：
  • 指令数量少（优先选取高频简单指令），仅支持 LOAD（从主存读数据）和 STORE（写数据到主存）指令操作主存，其余操作在寄存器间进行。
  • 寻址方式少（仅支持寄存器、立即数、相对寻址）、指令长度固定、格式统一。
  • 以硬布线逻辑控制为主，单周期指令执行，支持流水线技术。
  • CPU 通用寄存器数量多（32 个以上），分指令 Cache 和数据 Cache（并行存取）。
• 核心思想：程序执行时间 P=I×CPI×T（I：指令条数，CPI：平均执行周期数，T：周期时间）。
  • RISC 的 I 比 CISC 多，但 CPI 远小于 CISC（RISC CPI≈1，CISC CPI=4~10），T 更短，整体执行速度更快。
• 关键技术：延迟转移技术、指令取消技术、重叠寄存器窗口技术、指令流调整技术。

3.5 多处理机系统

多处理机系统由多个独立处理机组成，通过共享主存或通信网络协同工作，突破单处理机的性能限制。

3.5.1 多处理机系统概述

1. 与并行处理机（SIMD）的区别

对比维度	多处理机（MIMD）	并行处理机（SIMD）
结构灵活性	高，适应多样算法	低，针对数组 / 向量计算
程序并行性	任务级并行（复杂）	操作级并行（简单）
任务派生	需专门指令派生并行任务	指令本身启动多个处理单元并行
进程同步	需专门同步机制	受同一控制器控制，自然同步
资源调度	需动态分配资源和调度进程	处理单元数目固定，无需复杂调度

2. 分类（按存储访问方式）

类型	核心特点	代表架构	适用场景
共享存储方式（紧耦合）	多个处理机共享主存，通过主存传递信息	SMP（对称多处理机）	多用户分时应用、一般通用应用
分布式存储方式（松耦合）	每个处理机独占本地存储器，通过互连网络通信	MPP（海量并行处理机）	粗粒度并行计算（如科学计算、大数据处理）

3.5.2 海量并行处理结构（MPP）

• 核心特点：大规模并行处理，采用分布式存储，可扩展至数百 / 数千个处理机。
• 关键技术：虚拟共享存储器（SVM/DSM），将物理分散的本地存储器逻辑统一编址，用户可视为全局共享存储，简化编程。
• SVM 实现方式：硬件实现（高效）、操作系统 / 库实现（无需专用硬件）、编译实现（复杂）。

3.5.3 对称多处理机结构（SMP）

• 核心特点：多个处理机共享主存，处理机类型相同、地位对称，由操作系统统一调度。
• 存储模型：
  • 均匀存储器存取（UMA）：所有处理机访问主存速度相同。
  • 非均匀存储器存取（NUMA）：访问本地存储器速度快，访问远程存储器速度慢。
  • 只用高速缓存的存储器结构（COMA）：主存换成高速缓存，全局地址空间由缓存组成。
• 扩展架构（S2MP）：可扩展共享存储多处理机，结合 SMP 的简单编程和 MPP 的扩展性，基于 NUMA 结构，存储带宽随处理机数量扩展。

3.5.4 互连网络

• 定义：连接处理机、存储模块、外设的硬件网络，负责组件间的信息传输，是多处理机系统的核心。

• 互连函数（描述连接关系）：恒等置换（同编号连接）、交换置换（第 0 位位值不同连接）、方体置换（第 k 位位值不同连接）。

• 核心互连方式：

  方式	核心特点	优缺点
  总线方式	共享总线连接所有组件	简单、成本低；但争用严重，扩展性差
  交叉开关	每个处理机与每个存储模块直接连接	无争用，速度快；但复杂度高，成本高
  开关枢纽	由仲裁单元和开关单元组成	平衡争用和复杂度，扩展性较好
  多端口存储器	存储器控制冲突请求，分解多处理机访问	简化互连网络，提高存储访问效率
  多级互连网络	总线与交叉开关的折中，模块化结构	扩展性好，时延随级数上升

3.6 操作系统

操作系统（OS）是管理计算机软硬件资源的核心软件，负责合理组织工作流程、控制程序执行，为用户提供友好接口。

3.6.1 操作系统概述

1. 核心作用

• 资源管理：提高计算机系统效率（合理分配 CPU、内存、外设等资源）。
• 人机接口：提供友好的工作环境（让用户 / 程序方便使用系统）。

2. 核心特征与功能

• 特征：并发性（多个程序同时运行）、共享性（资源被多个用户 / 程序共享）、虚拟性（将物理资源抽象为多个逻辑资源）、不确定性（程序执行顺序和时间不确定）。
• 功能：
  • 处理机管理（进程管理）：分配和管理 CPU，核心是进程调度。
  • 存储器管理：内存分配、保护、扩充（虚拟存储）。
  • 设备管理：设备分配、传输控制、设备独立性（用户无需关注具体设备）。
  • 文件管理：文件存储空间管理、目录管理、文件操作和保护。
  • 用户接口：程序接口（系统调用，面向开发者）、操作接口（命令行 / 图形界面，面向用户）。

3. 操作系统分类

类型	核心特点	适用场景
分时操作系统（如 UNIX、Linux）	CPU 时间分片，轮流为多个终端用户服务，交互性强	多用户共享主机（如服务器、工作站）
实时操作系统（如 VxWorks、uC/OS-II）	快速响应外部事件，满足实时性要求	工业控制、导弹制导、飞机订票系统
网络操作系统（如 Windows Server、NetWare）	管理网络资源，支持网络通信和共享	局域网、企业网络（文件服务器、数据库服务器）
分布式操作系统（如 Amoeba、Mach）	管理分布式计算机系统，资源分布共享，透明性强	分布式计算、云计算平台
嵌入式操作系统（如 Android、iOS、Windows CE）	微型化、可定制、实时性强、可靠性高	智能手机、智能家电、嵌入式设备

4. 互联网环境对操作系统的要求

• 自主配置和自适应协调（适应节点数量、状态、需求的动态变化）。
• 支持跨网络互连、互通和协作（有线 / 无线、固定 / 移动节点结合）。
• 管理和协调资源共享（扩展至感知、能源、通信资源）。
• 支持功能、性能、可信性动态演化。
• 可信赖（保障安全性、私密性、可靠性）。

3.6.2 进程管理

1. 程序与进程

• 程序：静态的指令集合（如.exe 文件）。
• 进程：程序的一次执行过程，是资源分配和调度的基本单位，由进程控制块（PCB）、程序、数据组成（PCB 是进程存在的唯一标志）。
• 前驱图：描述程序段之间的依赖关系（有向无循环图），体现程序并发执行的制约关系。
• 程序并发执行特征：间断性、失去封闭性、不可再现性、相互制约性。

2. 进程状态与转换（五态模型）

• 状态：新建态（进程刚创建，未提交）→就绪态（具备运行条件，等待 CPU）→运行态（占用 CPU 执行）→阻塞态（等待某事件，如 I/O 完成）→终止态（进程结束）。
• 转换触发条件：
  • 新建态→就绪态：系统完成进程创建。
  • 就绪态→运行态：进程调度（CPU 空闲，选中就绪态进程）。
  • 运行态→就绪态：时间片到或有更高优先级进程进入就绪态。
  • 运行态→阻塞态：进程请求某事件（如 I/O 操作）。
  • 阻塞态→就绪态：等待的事件发生（如 I/O 完成）。
  • 运行态→终止态：进程执行完成或异常终止。

3. 信号量与 PV 操作（进程同步与互斥工具）

• 信号量（S）：整型变量，用于描述资源可用数量。
  • S≥0：可用资源数；S<0：绝对值为等待该资源的进程数。
  • 公用信号量（互斥）：初值为 1，实现进程间互斥访问临界资源。
  • 私用信号量（同步）：初值为 0 或正整数，实现进程间协作。
• PV 操作（不可分割的原子操作）：
  • P 操作（申请资源）：S=S-1；若 S<0，进程阻塞并插入等待队列。
  • V 操作（释放资源）：S=S+1；若 S≤0，唤醒等待队列中的一个进程。
• 应用示例（生产者 - 消费者问题）：
  • 信号量设置：S（互斥信号量，初值 1，保护缓冲区）、S1（同步信号量，初值 n，缓冲区空闲数）、S2（同步信号量，初值 0，缓冲区产品数）。
  • 生产者流程：生产产品→P (S1)→P (S)→产品送缓冲区→V (S)→V (S2)。
  • 消费者流程：P (S2)→P (S)→从缓冲区取产品→V (S)→V (S1)→消费产品。

4. 高级通信原语

• 低级通信（PV 操作）：编程复杂、效率低，适合少量数据交换。
• 高级通信：传递大量数据，效率高、编程简单，核心方式：
  • 共享存储模式：进程共享数据结构或存储区。
  • 消息传递模式：以消息为单位通信（如 Send/Receive 原语）。
  • 管道通信：通过共享文件（管道）传递字符流，连接读进程和写进程。

5. 死锁

• 定义：多个进程互相等待对方占用的资源，导致无法继续运行。
• 必要条件（缺一不可）：互斥条件（资源独占）、不剥夺条件（资源不可强制剥夺）、请求与保持条件（持有资源并请求新资源）、环路条件（进程 - 资源形成环路）。
• 处理策略：
  • 预防：破坏任一必要条件（如预先静态分配资源、资源有序分配）。
  • 避免：银行家算法（检测分配资源后系统是否安全，安全状态是存在安全序列，可让所有进程完成）。
  • 检测与解除：定时检测死锁，发现后通过资源剥夺或撤销进程解除。

6. 线程

• 定义：进程中的实体，是调度和分配的基本单位，比进程更 “轻便”（轻型进程）。
• 核心特点：
  • 基本不拥有资源，共享所属进程的全部资源（如内存空间、文件句柄）。
  • 线程状态：就绪、运行、阻塞。
  • 分类：用户级线程（不依赖内核，创建 / 切换快）、内核支持线程（依赖内核，调度更灵活）。
• 优势：减少进程切换开销，提高系统并发度（如文件服务进程可通过多线程同时处理多个用户请求）。

3.6.3 存储器管理

核心任务：管理主存空间，提高利用率、扩充容量，保护内存数据安全。

1. 存储管理方案

方案	核心原理	优点	缺点
分区存储管理	主存划分为若干区域，每个区域分配给一个作业	实现简单	内存利用率低，有碎片
分页存储管理	作业和主存均划分为等大的页（块），作业分页后离散分配到主存块	无外碎片，内存利用率高	有内碎片（页内未用空间）
分段存储管理	作业按逻辑功能划分为段（如代码段、数据段），段离散分配到主存	符合程序逻辑，便于共享和保护	有外碎片
段页式存储管理	先分段，再分页，结合分段和分页优势	兼顾逻辑独立性和内存利用率	管理复杂，开销大
虚拟存储管理	仅将作业部分装入主存，其余部分存辅存，需用时调入	突破物理内存限制，扩大逻辑内存	需硬件支持，有页面置换开销

2. 虚拟存储管理（核心）

• 理论基础：程序的局部性原理（时间局部性、空间局部性）。
• 工作集理论：进程在某段时间内实际访问的页面集合，需将工作集驻留主存以降低缺页率。
• 实现方式：
  • 请求分页系统：分页 + 请求调页 + 页面置换。
  • 请求分段系统：分段 + 请求调段 + 分段置换。
  • 请求段页式系统：段页式 + 请求调页 + 页面置换。
• 页面置换算法（缺页时淘汰页面）：
  • 最佳（Optimal）：淘汰最长时间不被访问的页面，理想化（无法实现）。
  • 先进先出（FIFO）：淘汰最早进入主存的页面，实现简单，有 Belady 异常。
  • 近期最少使用（LRU）：淘汰最近最少使用的页面，符合局部性原理，效率最高。
  • 最近未用（NUR）：淘汰最近未使用的页面，实现简单，开销低。

3.6.4 设备管理

核心目标：提高设备利用率，为用户提供统一、方便的设备接口。

1. I/O 软件层次（从底层到顶层）

• 中断处理程序：处理设备中断，唤醒驱动程序。
• 设备驱动程序：控制具体设备，设置设备寄存器、检查状态。
• 与设备无关的系统软件：提供统一设备接口，处理缓冲区、设备分配。
• 用户级软件：用户进程发起 I/O 请求（如读文件）。

2. 关键技术

• SPOOLing 技术（外围设备联机操作）：
  • 核心思想：用磁盘上的输入井和输出井模拟脱机 I/O，将独占设备转换为共享虚拟设备。
  • 组成：预输入程序（将外设数据读入输入井）、缓输出程序（将输出井数据写入外设）、井管理程序（管理输入 / 输出井）。
  • 优势：提高设备利用率和 CPU 与外设并行度（如打印机共享）。
• 磁盘调度算法（优化磁头移动，减少寻道时间）：
  • 先来先服务（FCFS）：按请求顺序调度，公平但平均寻道时间长。
  • 最短寻道时间优先（SSTF）：选择距当前磁头最近的请求，缩短单次寻道时间。
  • 扫描算法（SCAN，电梯调度）：磁头沿一个方向移动，处理所有请求后反向，避免饥饿。
  • 单向扫描（CSCAN）：磁头单向移动，到达端点后直接返回另一端，减少延迟。

3.6.5 文件管理

文件系统是操作系统中管理文件的软件集合，负责文件的存储、检索、共享和保护。

1. 文件的组织结构

• 逻辑结构（用户视角）：
  • 有结构文件（记录式文件）：由多个记录组成（如数据库表）。
  • 无结构文件（流式文件）：由字符流组成（如文本文件、二进制文件）。
• 物理结构（存储视角，文件在辅存的存放方式）：
  • 连续结构：文件数据连续存放在辅存块，速度快但易产生碎片。
  • 链接结构：文件数据分散存放，通过指针链接，无碎片但随机访问慢。
  • 索引结构：为文件建立索引表（记录文件数据块位置），兼顾速度和无碎片（主流方案）。
    • 多级索引：UNIX 系统采用三级索引（直接寻址、一级 / 二级 / 三级间接寻址），支持大容量文件。

2. 文件目录

• 定义：文件控制块（FCB）的有序集合，FCB 包含文件名、物理地址、文件属性等信息。
• 目录结构：
  • 一级目录结构：所有文件在一个目录下，简单但易重名、查找慢。
  • 二级目录结构：分主目录和用户目录，解决重名问题。
  • 多级目录结构（树形结构）：目录层级嵌套，支持文件分类，查找快（如 Windows、Linux 的目录结构）。
• 路径名：
  • 绝对路径：从根目录开始的完整路径（如 “C:\Users\Document\test.txt”）。
  • 相对路径：从当前目录开始的路径（如 “Document\test.txt”）。

3. 文件存储空间管理

核心是管理辅存空闲空间，常用方法：

方法	核心原理	优点	缺点
位示图	用一位表示一个物理块的空闲状态（0 = 空闲，1 = 占用）	描述能力强，适合各种物理结构	位示图大小随磁盘容量增长
空闲区表	记录所有空闲区的起始块号和块数	适合连续文件分配	空闲区多时光查表开销大
空闲块链	空闲块通过指针链接，形成链表	无需专用数据结构，节省空间	遍历链表开销大
成组链接法	将空闲块分组，每组记录下一组空闲块信息	兼顾空间和效率，UNIX 系统采用	实现复杂

4. 文件的共享和保护

• 共享：不同用户 / 进程使用同一文件，节省空间、减少复制开销。
  • 硬链接：多个目录项指向同一索引结点，删除一个链接不影响文件。
  • 符号链接：建立新文件，记录原文件路径，跨越文件系统但增加读盘次数。
• 保护：防止文件被非法访问，核心方式：
  • 存取控制矩阵：二维矩阵（用户 × 文件），记录存取权限（读 R、写 W、执行 X）。
  • 存取控制表：为每个文件记录授权用户及权限，简化矩阵。
  • 用户权限表：为每个用户记录可访问的文件及权限。
  • 密码：文件加密存储，访问时需输入密码解密。

5. 文件系统的安全与可靠性

• 安全级别：系统级（登录认证）、用户级（用户权限）、目录级（目录访问权限）、文件级（文件存取权限）。
• 可靠性保障：
  • 转储和恢复：定期备份文件数据，故障后恢复。
  • 日志文件：记录文件操作，故障后通过日志回滚或前滚恢复数据。
  • 一致性检查：检测并修复文件系统的块一致性和文件一致性。

3.6.6 作业与用户界面

1. 作业管理

• 作业：用户提交给计算机的计算任务总和，由程序、数据、作业说明书组成。
• 作业步：作业执行的每个步骤（如编译、链接、执行）。
• 作业控制方式：
  • 脱机控制：用户编写作业说明书，提交后无需干预。
  • 联机控制：用户通过终端输入命令，实时控制作业执行。
• 作业调度算法（选择作业进入内存执行）：
  • 评价指标：平均周转时间（作业完成时间 - 提交时间）、平均带权周转时间（周转时间 / 执行时间）。
  • 常用算法：先来先服务（FCFS）、短作业优先（SJF）、高响应比优先（HRN）、时间片轮转（RR）。

2. 用户界面

• 定义：用户与计算机通信的软 / 硬件总称，包括输入 / 输出设备和通信协议、命令等软件。
• 类型：
  • 命令接口：命令行（如 DOS 命令、Linux Shell 命令），面向专业用户。
  • 图形界面接口（GUI）：窗口、图标、菜单，直观易用（如 Windows、macOS）。
  • 程序接口：系统调用，面向开发者（如 C 语言的 read ()、write () 函数）。
• 发展阶段：控制面板式→字符用户界面→图形用户界面→新一代用户界面（虚拟现实、语音交互、多通道交互）。

3.6.7 国产操作系统

核心基于 Linux 内核二次开发，打破国外垄断，主要类型：

操作系统	核心特点	适用场景
银河麒麟（KylinOS）	自主知识产权，分安全版、服务器版	政府、军工、企业服务器
深度（deepin）	桌面应用为主，界面友好，支持国产硬件	个人电脑、办公终端
统信（UOS）	完善的生态，支持多架构，兼容性好	政企办公、金融、能源领域
中标麒麟	强化 Linux 内核，分桌面版、服务器版	政府、教育、金融行业
红旗 Linux	成熟的 Linux 发行版，分多个版本	企业服务器、桌面办公
安超 OS	云操作系统，软硬件解耦，支持混合负载	企业上云、数字化转型

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