[IT认证]软考备考计算机系统基础.doc

《[IT认证]软考备考计算机系统基础.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《[IT认证]软考备考计算机系统基础.doc（46页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、第一章第一章 计算机系统基础计算机系统基础（胡继荣）（胡继荣） 1.1 计算机硬件系统。 计算机系统由硬件系统与软件系统组成。硬件系统是计算机系统中看得见、摸得着的物理装置，软件是程 序、数据和相关文档的集合。其实从计算机问世以来，其更新换代实质上是硬件的更新换代。计算机的基本工 作原理是存储程序控制的原理，其基本结构属于冯诺依曼型计算机，即电子数字计算机。它至少应由运算器、 控制器、存储器、输入设备和输入设备五部分组成。 1.1.1 CPU CPU 是计算机系统的核心部件，由运算单元（ALU） 、控制单元（CU） 、寄存器组以及总线接口部件等组 成。ALU 负责完成算术、逻辑运算功能；CU

2、控制计算机指令的执行过程；寄存器组用来存放正在执行过程中 的指令、操作数和中间结果。ALU 和 CU 通过 CPU 内总线连接，CPU、存储器和 I/O 设备通过系统总线连接 1 CPU 中的主要寄存器 CPU 中的寄存器是用来暂时保存运算和控制过程的中间结果、最终结果以及控制、状态信息信息的。其存 取速度相对主存、辅存来说是最快的。 主要寄存器有：通用寄存器组、控制和状态寄存器。 寄存器类型作 用 通用寄存器组是 CPU 中的一组工作寄存器，用于存放原始数据和运算结果。 程序计数器 PC用于存放下在执行的指令或接下来要执行的下一条指令地址 指令寄存器 IR存放从存储器中取出的指令，在执行指令

3、的过程中，指令寄存器的内容不能改变 存储器数据寄存器MDR 用于存放由主存读出的一条指令或数据 存储器地址地址寄 存器 MAR 保存当前 CPU 所访问的主存单元地址 程序状态字寄存器PSW 存放程序的状态字，程序状态字的各位表示程序和机器的运行状态。 2 CPU 特性 CPU 的主要功能是负责统一协调、管理和控制系统中的各个部件有机地工作。其主要特性是： CPU 是通过总线对存储器和 I/O 操作进行控制的。 CPU 通过执行一条条简单的指令来完成任何一种复杂的操作或一项任务。 CPU 拥有简单而实用的以实际数值为基础进行判断的能力，即通过简单的判断来实现对程序流向的控制。 3 指令系统与寻

4、址方式 在计算机中要执行的各种操作命令称为指令。计算机指令以二进制编码的形式存放在存储器中，用二进制 编码形式表示的指令称为机器指令，CPU 可以直接识别机器指令。计算机所能执行的全部命令的集合即为该计算 机的指令系统。 在计算机中要执行的各种操作命令称为指令。计算机指令以二进制编码的形式存放在存储器中，用二进制 编码形式表示的指令称为机器指令，CPU 可以直接识别机器指令。计算机所能执行的全部命令的集合即为该计算 机的指令系统。 指令格式 计算机中的汇编指令由操作码和操作数两部分组成： 操作码表示计算机要执行的某种指令功能，由它来规定指令的操作类型，说明计算机要执行的具体操作。 操作码用二进

5、制编码来表示，该字段越长，所能表示的指令就越多。若操作码长度为 n,则可表示的指令为 2n。 根据指令中地址码的数量,指令格式可分为三地址指令、二地址指令、一地址指令和无地址指令。 操作数表示计算机在操作中所需要的数据，或者所需数据的存放位置（也称为地址码） ，还可以是指向操 作数的地址指针或其它有关操作数据的信息。 寻址及寻址方式 计算机的指令中通常要指定操作数地址信息，在执行时需要根据这个地址信息找到需要的操作数，这种寻 找操作数的过程称为寻址。 寻址方式就是寻找操作数或操作数地址的方式。8086 指令中有以下几种寻址方式： 立即数寻址方式：指操作数包含在给定的指令中，紧跟在操作码之后。

6、直接寻址方式：操作数存放在内存单元中，指令中直接给出操作数所在内存单元的地址。 寄存器寻址方式：是在指令中直接给出寄存器名，寄存器中的内容即为所需操作数。 寄存器间接寻址方式：操作数所在存储单元地址在指定的寄存器中，操作数则存放在内存单元中。 间接寻址：指令中给出的是存放操作数地址的地址。 相对寻址方式：指令地址码部分给出一个偏移量，操作数地址等于本条指令的地址加上该偏移量。 变址寻址方式：操作数地址等于变址寄存器的内容加偏移量。 指令的种类：数据传送类指令、I/O 类指令、算术运算类指令、逻辑运算类指令、移位操作类指 令、串操作类指令、程序控制转移类指令、处理器控制类指令、数据转换指令。 1

7、.1.2 存储器 存储器是计算机中用来存储信息的记忆部件，用来存放程序、原始数据、中间结果及最终结果。存储器由 许多存储单元构成。为了区分不同的存储单元，给每个存储单元一个编号，称为地址。在运行程序时，CPU 自 动连续地从存储器中取出指令并执行指令规定的操作，计算机每完成一条指令，至少要执行一次访问存储器的 操作，并把处理结果存储在存储器中。因此，存储器是微机系统不可缺少的组成部分，是计算机中各种信息的 存储和交流中心。 计算机的存储系统由多种存储设备组成，主要有存取速度、存取方式、存储容量和成本等性能指标。 1 存储器的存取方式 存储器按存取方式分类，可以分为随机存取存储器、只读存储器、顺

8、序存储器和直接存储器四类。 只读存储器 ROM ROM 中所存储的内容是固定不变的，即只能读出不能写入。ROM 一般用来存放微机的系统管理程序、监 控程序等。 随机存取存储器 RAM RAM 中的任意一个存储单元都可被随机读写，且存取时间与存储单元的物理位置无关，读写速度较快。 RAM 主要用来存放输入、输出数据及中间结果并与外存储器交换信息。 顺序存取存储器 SAM SAM 只能按照某种次序存取，即存取时间与存储单元的物理位置有关。由于按顺序读写的特点以及工作速 度较慢，常用作外存存储器，例如磁带就是一种典型的顺序存储器。 直接存取存储器 DAM DAM 在存取数据时不必对存储介质做完整的顺

9、序搜索而可以直接存取。例如磁盘和光盘都是典型的直接存 取存储器，磁盘的逻辑扇区在每个磁道内顺序排列，邻近磁道紧接排列，读取磁盘中某扇区的内容时先要寻道 定位，然后在磁道内顺序找到相应扇区。 2 存储器的性能 计算机一般对存储系统有如下性能指标要求： 存储容量 是指存储器可以存储的二进制信息总量。目前使用的存储容量达 MB（兆字节） 、GB（千兆字节） 、TB（兆 兆字节）或更大的存储空间。存储容量通常以字节（Byte）为单位来表示，各层次之间的换算关系为： 1KB=210B=1024B；1MB=220B=1024KB； 1GB=230B=1024MB；1TB=240B=1024GB 存取速度

10、存储器的存取速度可以用存取时间和存取周期来衡量。 存取时间：是指完成一次存储器读/写操作所需要的时间，故又称读写时间。具体是指从存储器接收到寻 址地址开始，到取出或存入数据为止所需要的时间。 存取周期：是连续进行读/写操作的所需的最小时间间隔。当 CPU 采用同步时序控制方式时，对存储器读、 操作的时间安排，应不小于读取和写入周期中的最大值。这个值也确定了存储器总线传输时的最高速率。 价格：存储器的价格也是人们比较关心的指标。一般来说，主存储器的价格较高，辅助存储器的价格较 低。 存储器带宽：每秒能访问的位数。计算公式：1/存储器周期每周期可访问的字节数。 数据传输率：每秒输入/输出的数据位数

11、。 随机存取传输率=1/存储器周期 非随机存取读写 N 位所需平均时间=平均存取时间+N 位/数据传输率 3 主存储器的组成 实际的存储器总是由一片或多片存储器芯片配以控制电路构成的。单个存储芯片的存储容量是有限的，因 此常常需要将多片存储器按一定方式组成具有一定存储单元数的存储器。 单个存储芯片其容量为“字数位数” ， “字”是存储单元(Word)的数量， “位”表示每个存储单元由多少位 （bit）组成。如果某一芯片规格为 16K8，则组成 64K16 的存储器需用(64/16)K (16/8)=8 个芯片。这种扩 展的方法通常称为字扩展法，具体实现时，一般将新加芯片的地址线、数据线和读/写

12、控制线与原有的芯片相应 线并接，片选线由地址总线高位控制。进行位扩展时，要用需扩展的总容量除以单个存储芯片的容量。如果用 8K1 的存储芯片组成 8K8 的存储容量，需要的芯片数量是 8 片。实现时只需将对应的数据线、系统总线的 地址线与存储芯片的地址线相连，由于无片选信号的要求，所以将片选信号直接接地。 存储系统的多级层次结构：我们可以把各种不同存储容量、存取速度和价格的存储器按层次结构组成多层 存储器，并通过管理软件和辅助硬件有机组合成统一的整体，使所存放的程序和数据按层次分布在各种存储器 中，形成存储系统的多级层次结构。目前，在计算机系统中通常采用三级层次结构来构成存储系统，主要由高 速

13、缓冲存储器 Cache、主存储器和辅助存储器组成。下图为多级存储器体系示意图。 4 主存储器的地址编码 主存采用的是随机存取方式，需要对字节编址每个数据块进行编码，而在主存储器中数据块是以 word 来标 志，即每个字一个地址。一般用十六进制数来表示。内存是由若干个存储单元组成的，每个存储单元有一个编 号，这种编号可唯一标识一个存储单元，称为内存地址（或物理地址） 。 存储器内部是按字节进行组织的，两个相邻的字节被称为一个“字”。例如：某存储器按字节编址，其地址 从 A4000H 到 CBFFFH，那么该存储器可表示（CBFFFHA4000H）+1 个字节（或 160KB） ，即地址数共有 2

14、8000H 个。 需要注意的是：编址的基础可以是字节，也可以是字，要算地址位数，首先应计算要编址的字或字节数， 然后求 2 的对数即可得到。 5 Cache 基础 在存储系统的层次结构中引入 Cache（高速缓冲存储器）是为了解决 CPU 与主存之间的速度差异，以提高 CPU 工作效率。高速缓存 Cache 是一种存储空间较小而存取速度却很高的存储器，它位于 CPU 和主存之间，用 来存放 CPU 频繁使用的指令和数据。由于使用高速缓存后可以减少存储器的访问时间，所以对提高整个处理机 的性能非常有益。 Cache 的全部功能由硬件实现，并且对程序员来说是“透明”的，程序员不需要明确知道高速缓冲

15、存储器的 存在。Cache 的存在，使得程序员面对一个既有 Cache 速度，又有主存容量的存储系统。CPU 不仅和与 Cache 相连，而且和主存之间也要保持通路。 Cache 的实现原理：在计算机系统中配备 Cache 的基础是基于程序访问的局部性原理基于程序访问的局部性原理，即要被访问的数据 大多集中在存储器的某个局部区域。 Cache 的命中率与淘汰率：是用百分数表示的一种概率，是 CPU 访问 Cache 时，它所找到的与要 找的信息的百分比。若 Cache 的访问命中率为 h， （则其淘汰率为 1-h）而 Cache 的访问周期是 t1，主存储器的 访问周期时间为 t2，则整个系统

16、的平均访存时间 t3=ht1+(1-h) t2。 Cache 的淘汰算法：随机淘汰、先进先出淘汰（FIFO） 、近期最少使用算法（LRU） 。 Cache 存储器的写操作：写直达（写 Cache 时，同时写入主存） 、写回（写 Cache 时不马上写主存，等其淘汰时回写） 、标记法（这种方案实际上是一种带缓冲的写直达，这种写方案是把欲写到 Cache 中的数据先复制到一个缓冲存储器中去。然后再把这个副本写回主存储器） 。 6 磁盘存储器基础 磁盘存储器是最常见的一种外部存储器，可分为软盘和硬盘两种。 软盘常见技术指标 面数：仅有一面盘面存储信息的软盘称为单面盘。PC 机所用的软盘均为双面存储信

17、息，称为双 面盘。其中一面为 0 面，另一面为 1 面。 磁道数：磁盘存储的信息是按一系列同心圆的格式写在磁盘表面的磁介质上，每个同心圆称为一 个磁道。磁道是从外向里依次编号的。 扇区数：盘片的每个磁道均划分为若干个弧段，每个弧段称为一个扇区，扇区是磁盘的基本存储单位， 每个扇区的存储容量统一为 512 字节。扇区是磁盘的基本存储单位，每个扇区的存储容量统一为 512 字节。对 软盘进行读写时，无论数据多少均读/写一个或几个完整的扇区。 存储密度：存储密度包括道密度和位密度。道密度是沿磁盘径向单位长度内的磁道数，单位为 TPI（每英 寸磁道数） ；位密度是每一磁道内单位长度所记录的二进制数的位

18、数，单位是 BPI（每英寸数据位数） 。 存储容量：存储容量是指软盘所能存储的数据总量，单位为：字节。软盘格式化以后存储容量可以进行 计算，计算公式为：存储容量=每扇区字节数（512）每磁道扇区数每盘面磁道数盘面数 硬盘及其性能指标 硬盘存储器具有体积小、容量大、读/写速度快、使用方便的优点，所以它是 PC 机最重要的外存储器。硬 盘存储器外部用一个铝合金外壳把内部的主要部件封闭起来如图。硬盘外部主要有：电源接口、数据接口、控 制电路板、固定盖板及安装螺孔等。 柱面数：硬盘是由多层圆形盘片沿着同一中心轴重叠而成，一般盘片数为 214 张，格式化时每片均分 出相等的磁道，并从外向里进行编号，这样

19、各个盘片上编号相同的磁道在空间上形成一个空芯的圆柱面存储结 构，这个圆柱面称为硬盘的柱面，显然硬盘的柱面数等于盘片上的磁道数。 容量：硬盘的存储容量为所有单盘片容量之和，单位为：吉字节（GB） 。目前硬盘容量多为 40180GB。作为 PC 机的外存储器，硬盘容量越大越好，但限于成本和体积，盘片数目宜少不宜多，因此提高 单片容量是提高硬盘容量的关键。 平均等待时间：数据所在的扇区转到磁头下的平均时间，它是盘片旋转周期的 1/2，单位为毫秒（ms） 。 平均寻道时间：指磁头移动到数据所在磁道（柱面）所需要的平均时间，单位为毫秒（ms） 。这是衡量 硬盘机械能力的重要指标，平均寻道时间越小越好，一

20、般在 5l0ms 之间。 平均存取时间：指磁头从起始位置到达目标位置稳定下来并从目标位置上找到要读/写的数据的扇区所需 要的全部时间，单位为毫秒（ms） 。平均存取时间等于平均寻道时间与平均等待时间之和。平均存取时间最能代 表硬盘找到某一数据所用的时间，平均存取时间越短越好。 数据传输速率：也称磁盘的吞吐率，它分为外部数据传输速率和内部数据传输速率。通常外部数据传输 速率又称为接口传输速率，是指主机接口向硬盘缓存写入数据的速度，单位为兆字节/秒（MB/s） 。 主轴转速：指硬盘内主轴的转动速度，单位为转/分（r/min） 。 连续无故障时间（MTBF）：指从开始运行到出现故障的最长时间，单位为

21、小时（h） 。 旋转延迟时间：磁头到达指定磁道，必须等待所需要的扇区旋转到读/写磁头下的时间。 传送时间：信息在磁盘和内存之间的实际传送时间。 相关公式 硬盘容量磁头数柱面数扇区数扇区容量（硬盘的第一面和最后一面是保护用的，计算时要减掉） 磁道数=（外半径-内半径）道密度记录面数 非格式化容量=最大位密度最内圈直径总磁道数 格式化容量=每道扇区数扇区容量总磁道数 平均数据传输速率=每道扇区数扇区容量盘片容量盘片每分钟转数 存取时间=寻道时间+等待时间 （寻道时间为磁头移动到磁道所需的时间；等待时间为等待读写的扇区转到 磁头下方所用的时间。 磁盘服务总时间=寻道时间+旋转延迟时间+传送时间 7.

22、 虚拟存储器 虚拟存储器（Virtual Memory）是以存储器访问的局部性为基础，建立在“主存辅存”物理体系结构上 的存储管理技术。虚拟存储技术的基本思想是把有限的内存空间与大容量的外存统一管理起来，构成一个远大 于实际内存的、虚拟的存储器。此时，外存是作为内存的直接延伸，用户并不会感觉到内、外存的区别，即把 两级存储器当作一级存储器来看待。一个作业运行时，其全部信息装入虚存，实际上可能只有当前运行的必需 一部分信息存入内存，其他则存于外存，当所访问的信息不在内存时，系统自动将其从外存调入内存。 虚拟存储系统是在存储层次结构基础上，通过存储器管理部件 MMU 进行虚拟地址和实际地址自动变换

23、而实 现的。虚拟存储器允许用户把主存、辅存视为一个统一的虚拟内存。用户可以对海量辅存中的存储内容按统一 的虚址编排，在程序中使用虚址。在程序运行时，当 CPU 访问虚址内容时发现已存于主存中，可直接利用；若 发现未在主存中则仍需调入主存，并存在适当空间，待有了实地址后，CPU 就可以真正访问使用了。上述过程虽 未改变主存、辅存的地位和性质，但最重要的是原来由程序进行的调度工作改由计算机系统的硬件和操作系统 的统一管理下自动进行，辅存相对用户来讲是透明的，大大方便了用户。用户在 PC 机虚拟保护工作方式下，允 许使用高达 64TB 海量的存储器空间，可以多任务、多用户的同时使用计算机。 CPU

24、以逻辑地址访问主存，由辅助硬件和软件确定逻辑地址和物理地址的对应关系，判断这个逻辑地址指 示的存储单元内容是否已装入主存。如果在主存，CPU 就直接执行该部分程序或数据；如果不在主存，系统存储 管理软件和辅助硬件就会把访问单元所在的程序块从辅存调入主存，并把逻辑地址转换成实地址。 在实际应用中，根据如何对主存空间与磁盘空间进行分区管理，虚实地址怎样转换，采取何种替换算法等， 可以有 3 种方式：页式、段式和段页式虚拟存储器。 1.1.3 输入输出系统 微型计算机系统的输入和输出通常是指计算机与外部设备之间的信息交换，也称为通信。输入/输出系统是 计算机与外界进行数据交换的通道。各种外部设备与计

25、算机之间的通信是通过接口实现的。接口部件起着数据 缓冲、隔离、数据格式交换、寻址、同步联络和定时控制等作用。 一般情况下，计算机的输入输出接口应该具备以下功能： （1）寻址功能 （2）输入/输出功能 （3）数据转换功能 （4）联络功能 （5）中断管理功能 （6）接收复位信号并对接口进行初始化 （7）可编程功能 （8）检测错误的功能 1 接口的分类接口的分类 按数据传送的格式可分为并行接口和串行接口 并行接口采用并行传送方式，一次把一个字节的所有位同时输入或输出，同时传送若干位。并行接口一般 指主机与 I/O 设备之间、接口与 I/O 设备之间均以并行方式传送数据。并行接口适用于传输距离较近、速

26、度相对 较高的卖命，其电路结构比较简单。 串行接口采用串行传送方式，数据的所有位按顺序逐位输入或输出。通常，接口与 I/O 设备之间采用串行传 送方式，而串行接口与主机之间则采用并行方式。串行接口适于远距离传输，对速度要求不高。 按时序控制方式可分为同步接口和异步接口 同步接口操作是按照 CPU 控制节拍进行的，不论是 CPU 与 I/O 设备，还是存储器与 I/O 设备，在交换信息 时都与 CPU 的节拍同步。这种接口控制简单，但是它的操作完成时间只能取 CPU 时钟的整数倍。 异步接口操作不由 CPU 节拍控制，CPU 与 I/O 设备之间交换信息采用的是应答方式。通常把交换信息的两 个设

27、备分别称之为主控设备和从属设备，如果将 CPU 叫做主控设备，而某一个 I/O 设备则被叫做从属设备。主 控设备提出交换信息的“请求”信号，经接口传递到从属设备，从属设备完成主控设备指定的操作后又会通过接 口向主控设备发出“回答”信号。整个信息交换过程就是这样一问一答的进行。 按主机访问 I/O 设备的控制方式，可分为程序查询接口、中断接口、DMA 接口，以及更复杂一些的通道 控制器、I/O 处理机等。计算机接上某种外部设备之后，计算机与外部设备之间就要进行数据交换。但由于外部 设备与存储器不同，它们用各自不同的速度在工作，而且它们的工作速度相差很大，有些外部设备的工作速度 极高，有些则很低。

28、因此需要用某种方法调整数据传输时的定时，这种方法称为输入输入/输出控制输出控制。I/O 设备和内 存之间的常用数据传送方式有如下四种： 程序直接控制传送方式程序直接控制传送方式：由程序直接控制内存或 CPU 和 I/O 设备之间进行信息传送的方式。该方式又可 分为无条件传送方式和条件传送方式两种。如果程序员能够确认个外部设备已经准备好，则在传送数据之前 就不必查询外设的状态，直接执行输入指令或输出指令即可实现数据的传输。这就是无条件传送方式，也称为无条件传送方式，也称为 同步传送方式，同步传送方式，主要用于外设的定时是固定的或已知的场合。条件传送方式也称为查询传送方式条件传送方式也称为查询传送

29、方式，就是微处理 器在执行输入/输出指令读取数据之前，要通过执行程序不断地读取并测试外部设备的状态。程序直接控制传送 方式只适用于那些 CPU 执行速度较慢，而且外部设备较少的系统。 中断控制方式：中断控制方式：为了提高 CPU 的利用效率和进行实时数据处理，CPU 常采用中断方式与外设进行数据 交换。当计算机的 CPU 正在执行程序时，由于内、外部事件或程序的预先安排引起 CPU 暂时终止执行现行程 序，转去执行该事件的特定程序（也称为中断处理程序或中断服务程序） ，待中断服务程序执行完毕，能够自动 返回到被中断的程序继续执行原来的程序，这个过程称为中断中断。用中断方式管理 I/O 设备，C

30、PU 与外设能并行 地工作。虽然中断方式提高了 CPU 的利用率，能处理随机事件和实时任务，但一次中断处理过程需要经历保存 现场、中断处理、恢复现场等阶段，需要执行若干条指令。因此这种方式无法满足高速的批量数据传送要求。 DMA 传送方式传送方式：DMA（Direct Memory Access）传送方式又称为直接存储器存取方式，实际上是在存储 器与外设间开辟一条高速数据通道，使外设与内存之间直接交换数据。这一数据通道是通过 DMA 控制器来实现 的。数据传送的基本单位是数据块。在 DMA 传送期间，不需要 CPU 的任何干预，仅在传送一个或多个数据块 的开始和结束时，才需中断 CPU，请求干

31、预。整块数据的传送是在 DMA 控制器控制下完成的。DMA 控制器控 制系统总线，在其控制下完成数据传输任务。DMA 方式简化了 CPU 对输入输出的控制，提高了主机与外设并 行工作的程度，实现了快速外设和主存之间成批的数据传送，明显提高了系统效率。但这种方式显然电路结构 复杂，硬件开销大。 I/O 通道方式通道方式：通道一个专门负责输入/输出的硬件，是一种专用控制器专用控制器，它通过执行通道程序进行 I/O 操作的管理，为主机与 I/O 设备提供一种数据传输通道。通道控制方式与 DMA 方式相类似，也是一种内存和设 备直接进行数据交换的方式。与 DMA 方式不同的是，在通道控制方式中，数据传

32、送方向存放数据的内存始址及 传送的数据块长度均由通道来控制。另外，DMA 方式每台设备至少需要一个 DMA 控制器，而通道控制方式中， 一个通道可控制多台设备与内存进行数据交换。 用通道指令编制的程序存放在存储器是，当需要进行 I/O 操作时，CPU 只要按约定格式准备好命令和数据， 启动通道即可；通道则执行相应的通道程序，完成所要求的操作。用通道程序也可完成较复杂的 I/O 管理和预处 理，从而在很大程度上将主机从繁重的 I/O 管理工作中解脱出来，提高了系统的效率。通道实质上是一台功能单 一、结构简单的 I/O 处理机，所以该方式又称为 I/O 处理机方式。 2.I/O 接口的编址方式 统

33、一编址方式：是把每一个 I/O 端口地址看成是一个存储器单元地址，CPU 可以像访问存储器那 样，使用访问存储器的指令去访问 I/O 端口。 独立编址方式：该方式的端口单独编址构成一个 I/O 空间，不占用存储器地址。每个 I/O 端口都配备有一 个地址，CPU 需用专门的 I/O 指令对其进行访问操作。这类指令就是 I/O 指令。用来对存储器进行访问的指令 与对 I/O 端口进行读取操作的指令也易于辨认。Intel 系列 32 位微处理机就采用了这种方式。 2 中断系统基础 当计算机的 CPU 正在执行程序时，由于内、外部事件或程序的预先安排引起 CPU 暂时终止执行现行程序， 转去执行该事

34、件的特定程序（也称为中断处理程序或中断服务程序） ，待中断服务程序执行完毕，能够自动返回 到被中断的程序继续执行原来的程序，这个过程称为中断。在各种微型计算机系统中，常利用中断机构来处理 CPU 与外部设备之间的数据传送，以最少的响应时间和内部操作来实现外设的服务请求。此外，中断也是处理 来自内部异常故障的重要手段。 为实现中断而设置的各种中断控制逻辑以及管理相应中断的指令有机组合后称为中断系统。 中断系统的作用 实现分时操作：对 I/O 系统而言，中断系统可作为低速的外部设备与高速的 CPU 之间的一种联系纽带， 通过中断系统可以实现多个 I/O 设备与 CPU 之间的并行操作。 处理异常事

35、故：当处理机在执行操作时，若出现程序性的错误或机器故障，可以通过中断系统进行处 理，或者将故障与错误记录下来为故障诊断和机器的恢复作好准备。 实现实时操作：在实时控制系统中，许多信号往往都是随机产生的，只有通过中断系统才能对它们进 行处理，以避免信息的丢失。 中断源及其类型 能引起中断的外部设备或内部原因称为中断源。对于不同的计算机系统中断源的设置有所不同，通常按照 CPU 与中断源的位置关系可分为内部中断和外部中断。内部中断是 CPU 在处理某些特殊事件时所引起或通过 内部逻辑电路自己去调用的中断。外部中断是由于外部设备要求数据输入/输出操作时请求 CPU 为之服务的一 种中断。中断源可以有

36、以下几种： 外部设备请求中断 故障强迫中断 实时时钟请求中断 数据通道中断 软件中断 中断响应和处理过程 计算机系统内存在着多个中断源，而且每一个中断源的处理内容也不会是一样的。因此必须为每个中断源 预先编好中断处理程序并且将其存放到主存储器中。而当 CPU 响应中断之后，就会调出相应的中断处理程序 对中断进行处理。当中断源相当多时，可对中断源进行分类，把性质相近的中断源归成一类，并给出一个中断 处理程序入口。当 CPU 在执行主程序时，同时发生多个中断请求，则由中断响应硬件中的排队器决定中断的 响应程序。一般情况下，CPU 优先响应级别高的中断源所提出的中断请求。 3 常用设备总线基础 总线

37、是计算机中多个部件之间公用的一组连线，是若干互连信号线的集合，由它构成系统插件间、插件的 芯片间或系统间的标准信息通路。在微型计算机系统中，总线是各个部件信息交换的公共通道，各部件之间的 联系都是通过总线实现的，总线在计算机中起着重要的作用。 总线分类 在微型计算机系统中按照总线的规模、用途及应用场合，可将总线分为三类： 微处理器芯片总线：也称为元件级总线或片内总线。这是在构成一块 CPU 插件或用微处理机芯 片组成一个很小系统时常用的总线，常用于 CPU 芯片、存储器芯片、I/O 接口芯片等之间的信息传送。 内总线：也称为板极总线或系统总线，它是微型计算机系统内连接各插件板 的总线，用以实现

38、微机系统与各种扩展插件板之间的相互连接，是微机系统所特有的总线，一般用于模板之间 的连接。系统总线是主板上微处理器和外部设备之间进行通讯时所采用的数据通道。 外部总线：也称为通信总线，主要用于微机系统与微机系统之间或微机与外 部设备（如打印机、硬盘设备） 、仪器仪表之间的通信，常用于设备级的互连。这种总线的数据传输可以是并 行的，也可以是串行的，数据传输速率低于系统内部的总线。 按所传送的信息类别不同，总线分为：地址总线、数据总线和控制总线。 地址总线：是用来规定数据总线上的数据出于何处和被送往何处。若 CPU 欲从存储器读取一个信息，不 论这个信息是 8 位、16 位、32 位或 64 位的

39、，均是先将欲取信息的地址放到地址线上，然后才可以从给定的存 储器地址那里取出所需的信息。 数据总线：是在计算机系统各部件之间传输数据的路径，把这些信号线组合在一起则被称之为数据总线。 控制总线：是用来对数据总线、地址总线的访问及其使用情况实施控制。由于计算机中的所有部件均要使 用数据总线和地址总线，所以用控制总线对它们实施控制是必要的也是必须的。 按总线数据的传送方式的不同可分为：串行总线、并行总线。 按数据传送方向的不同可分为：单向总线和双向总线。 按时序控制方式的不同分为：同步总线的异步总线。 总线数据传送的通讯协议：通讯协议是实现总线裁决和信息传送的手段，通常分为： 同步通讯方式：总线上

40、的部件通过总线进行信息交换时用一个公共的时钟信号进行同步的方式。由于采 用了公共时钟，每个部件何时发送或接收信息都由统一的时钟规定，在通讯时不用附加时间标志或来回应答信 号。所以，同步通讯具有较高的传输频率。 异步通讯方式：总线上的各个部件有各自的时钟，部件之间进行通讯时没有公共的时间标准，而是在发 送信息的同时发出该部件的时间标志信号，用应答方式来协调通信过程。异步通讯又分为单向方式和双向方式 两种。单向方式不能判别数据是否正确传送到对方，故大多采用双向方式，即应答式异步通讯。 总线指标 通常情况下，总线能达到什么样的性能是由总线的指标体现的，主要有以下两点： 总线宽度：指可以同时传输的数据

41、位数，位数越多，一次传输的信息就越多。微计算机的总线宽度一般 不会超过 CPU 外部数据总线的宽度。 总线频率：总线通常都有一个基本时钟，总线上其它信号都以这个时钟为基准，这个时钟的频率也是总 线工作的最高频率。时钟的频率越高，单位时间内传输的数据量就越大。 目前总线标准有两类： 一类是 IEEE（美国电气及电子工程师协会）标准委员会定义与解释的标准，如 IEEE-488 总线和 RS- 232C 串行接口标准等，这类标准现已有 20 多个。 一类是因广泛应用而被大家接受与公认的标准，如 S-100 总线、IBM PC 总线、ISA 总线、EISA 总线、 STD 总线接口标准等。不同的总线标

42、准可以用于不同的微机系统或者同一微机系统的不同位置。 常见的系统总线标准：ISA 总线、EISA 总线、PC总线。 ISA 总线：又称为 AT 总线，是微机中普遍使用的一种总线。总线的数据传送速率最快为 8 MB/s，地址 总线宽度为 24 位，可以支持 16 MB 的内存。ISA 总线在 PC 总线的基础上除了数据和地址线的扩充外，还扩 充了中断和 DMA 请求、应答信号。 EISA 总线：EISA（Extended Industry Standard Architecture 扩展的工业标准体系结构）总线是扩展的 ISA 总线，其数据总线被扩展到 32 位，但时钟速度仍维持在 8MHz，传

43、输速率为 33 MB/S，由于 EISA 总线性能稳 定，适用于网络服务器、高速图像处理、多媒体等领域，最常见的应用是作为磁盘控制器和视频图形适配器。 由于 EISA 是兼容机厂商共同推出的，所以其技术标准是公开的。 EISA 总线采用同步数据传送协议，可支持 常规的一次传送，也可支持突法方式即高速分组传送。EISA 总线支持多处理器结构，支持多主控总线设备， 具有较强的 I/O 扩展能力和负载能力。 PC总线：PCI 是一种同步且独立于处理器的 32 位或 64 位的局部总线，它允许外设与 CPU 进行智能对 话，从而避免了中断请求（IRQ） 、直接存储器存取（DMA）和 I/O 通道之间的

44、冲突。其最大传输率可达 528MB/s。 PCI 总线的主要特点：线性突发传输、支持总线主控方式和同步操作、独立于处理器、即插即用、 适合于各种机型、多总线共存、预留发展空间、采用了数据线和地址线复用结构，减少了总线引脚数，从而可 以节约线路空间，降低设计成本。 常用的有局部总线标准：VESA 局部总线、PCI 局部总线、AGP 总线。 1.2 计算机软件系统 1.2.1 操作系统 操作系统(Operating System，OS)是计算机系统配置的基本软件之一。它在整个计算机系统软件中占有中心 地位。操作系统质量的好坏，直接影响整个计算机系统的性能和用户对计算机的使用。一个精心设计的操作系

45、统能极大地扩充计算机系统的功能，充分发挥系统中各种设备的使用效率，提高系统工作的可靠性。操作系统 的作用是对计算机系统进行统一的调度和管理，提供各种强有力的系统服务，为用户创造既灵活又方便的使用 环境。它是所有其他软件与计算机硬件的唯一接口，所有用户在使用计算机时都要得到操作系统提供的服务。 1 操作系统概念 操作系统是与计算机硬件关系最为密切的系统软件，是硬件的第一层软件扩充，是其他软件运行的基础； 它是一些程序模块的集合-用于管理和控制计算机系统中的硬件和软件资源，合理地组织计算机工作流程，有 效地利用这些资源为用户提供一种功能强、使用方便的工作环境，从而地计算机与其他用户之间起到接口的作

46、 用；它是现代计算机系统中必不可少的最重要的系统软件。 操作系统的特征：并发性、共享性、虚拟性、不确定性。 操作系统的功能有：存储管理、处理机管理、设备管理、文件管理、作业管理。 2 常见操作系统 常见的研究操作系统的观点有： 虚拟机观点：该观点认为操作系统是添加在硬件机器上的第一层软件，是对硬件系统功能的直接延伸。 操作系统的全部功能称为操作系统虚拟机，该虚拟机向用户提供全套服务，完成用户要求。 资源管理观点：该观点认为操作系统是管理计算机系统资源的软件。它负责控制和管理计算机系统中的 全部资源，确保资源能被高效合理的使用，系统得以有条不紊地运行。 从用户服务角度出发的观点：该观点认为操作系

47、统是一个为用户服务的大型程序。计算机配置了操作系 统后, 把操作系统看成用户与计算机之间的一个接口。 常见的操作系统 根据操作系统的使用环境和对作业的处理方式来划分，操作系统可分为： 批处理系统：该类操作系统又分为多道批处理系统和远程批处理系统两类。 多道批处理系统特点：从作业进入系统到在处理机上执行必须经过作业调度和进程调度；内存中可同时 驻留多道作业；作业完成的先后顺序与作业进入的先后顺序无严格对应关系。 远程批处理系统特点：能接收和处理从远程系统送来的批量作业,并将结果送给指定系统。 批处理系统的优点：系统吞吐量大；资源利用率高。 批处理系统的缺点：平均周转时间长；不能提供交互能力。 分

48、时操作系统：在分时环境下，一个计算机系统联接有若干个本地和远程终端，每个用户都可以在自己 的终端上以交互作用方式使用计算机,对系统资源进行时间上的分享。UNIX 就是是一个分时操作系统，采用了 层次化结构，最内层是 UNIX 操作系统核心，包括文件管理和进程控制两个部分；最外层是用户程序，包括很 多应用软件；中间层是 SHELL 命令解释层、实用程序和库函数等。 分时系统的特点：多路性、独立性、及时性、交互性。 实时操作系统：计算机能及时响应外部事件的请求,在规定时间内完成对该事件的处理,并控制所有实时设 备和实时任务协调一致地运行。 实时操作系统的特点：高可靠性、及时性、完整性 分布式操作系

49、统：是通过通信网络，将地理上分散的具有自治功能的数据处理系统或计算机系统互连起 来，实现信息交换和资源共享，协作完成任务。 分布式操作系统的特点：负责整个网络的全系统的资源分配和调度，具有位置透明性、迁移透明性、复 制透明性、并发透明性、平行透明性。 网络操作系统：计算机网络是指通过通信设施，将地理上分散的、具有自治功能的多个计算机系统互连 起来，实现信息交换、资源共享、互操作和协作处理的系统。 （在原来各自计算机操作系统上，按照网络体系结 构的各个协议标准增加网络管理功能的操作系统。 ）WindowsNT 是一种常用的网络网络操作系统,支持多处理结 构，支持多线程并行（多任务） ，它采用的是客户机/服务器模式。WindowsNT 可以分为执行体和保护子系统。 前者运行在核心态，后者运行在用户态。而保护子系统主要包括环境子系统、集成子系统两类。 网络操作系统的特点：用统一的方法管理整个网络中共享资源的使用和任务的处理，具备