大學(xué)計(jì)算機(jī)第4講-現(xiàn)代計(jì)算機(jī)-復(fù)雜環(huán)境下程序執(zhí)行

大學(xué)計(jì)算機(jī)第4講-現(xiàn)代計(jì)算機(jī)-復(fù)雜環(huán)境下程序執(zhí)行第一頁(yè)，共49頁(yè)?；灸繕?biāo):

理解現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作思維基本思維：存儲(chǔ)體系磁盤(pán)存取操作系統(tǒng)作業(yè)與進(jìn)程程序執(zhí)行的管理與控制；資源組合利用體系化、管理分工合作協(xié)同化、外存程序內(nèi)存進(jìn)程化、硬件不足功能軟件化內(nèi)容提要第二頁(yè)，共49頁(yè)?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成----硬件、軟件、數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)2.3現(xiàn)代計(jì)算機(jī)：復(fù)雜環(huán)境下程序的執(zhí)行2.3.1現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成第三頁(yè)，共49頁(yè)。2.3.1現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括了什么?現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件、軟件、數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成第四頁(yè)，共49頁(yè)。計(jì)算機(jī)硬件由主機(jī)和外部設(shè)備兩大部分構(gòu)成。個(gè)人計(jì)算機(jī)是一種什么結(jié)構(gòu)?個(gè)人計(jì)算機(jī)第五頁(yè)，共49頁(yè)。主電路板接口電路板個(gè)人計(jì)算機(jī)第六頁(yè)，共49頁(yè)。個(gè)人計(jì)算機(jī)本質(zhì)：馮.諾依曼計(jì)算機(jī)第七頁(yè)，共49頁(yè)。計(jì)算機(jī)硬件(裸機(jī))操作系統(tǒng)：Unix,Linux,Windows,iOS，Android語(yǔ)言處理系統(tǒng)工具軟件數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)應(yīng)用程序/軟件包嵌入式/移動(dòng)式(設(shè)備裸機(jī))中間件，如應(yīng)用服務(wù)器CloudOS,MobileOSCloudApplication網(wǎng)絡(luò)化/互聯(lián)化—其他硬件軟件起什么作用?計(jì)算機(jī)軟件由系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類(lèi)構(gòu)成:系統(tǒng)軟件是用于對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行管理、控制、維護(hù)，或者編輯、制作、加工用戶(hù)程序的一類(lèi)軟件。應(yīng)用軟件則是用于解決各種實(shí)際問(wèn)題、進(jìn)行業(yè)務(wù)工作的軟件WebSphereWebLogicTomcatOSGiGAE…...OracleSQLServerDB2HadoopGFS…...C/C++/VisualC++Java,Php,JSPPythonFORTRANBASIC/VBPASCAL……VMWareVSPhereXENOpenCloudOpenStackAmazonEC2Eucalyptus第八頁(yè)，共49頁(yè)?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)體系----內(nèi)存vs.外存vs.存儲(chǔ)體系----存儲(chǔ)體系環(huán)境下程序執(zhí)行面臨的問(wèn)題現(xiàn)代計(jì)算機(jī)：復(fù)雜環(huán)境下程序的執(zhí)行2.3.2現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)體系第九頁(yè)，共49頁(yè)。馮.諾依曼計(jì)算機(jī)(前講)解決了：程序裝載在內(nèi)存，便可被CPU執(zhí)行前講的馮.諾依曼計(jì)算機(jī)還有什么問(wèn)題?永久存儲(chǔ)問(wèn)題?存儲(chǔ)容量問(wèn)題?存儲(chǔ)速度問(wèn)題?存儲(chǔ)器價(jià)格問(wèn)題?第十頁(yè)，共49頁(yè)。內(nèi)存：RAM/ROM地址：存儲(chǔ)單元1、2、4或8個(gè)字節(jié)外存：硬盤(pán)/軟盤(pán)盤(pán)面:磁道:扇區(qū)一個(gè)扇區(qū)存放512個(gè)字節(jié)。什么是內(nèi)存?什么是外存?它們?cè)谟?jì)算機(jī)系統(tǒng)中的作用是什么?內(nèi)存(主存)與外存(輔存)第十一頁(yè)，共49頁(yè)。存儲(chǔ)體系什么是存儲(chǔ)體系?存儲(chǔ)體系要解決什么矛盾?不同性能資源的組合優(yōu)化算術(shù)邏輯單元控制單元寄存器CPU按存儲(chǔ)單元讀寫(xiě)按存儲(chǔ)塊進(jìn)行交換內(nèi)存或主存(RAM)外存(硬盤(pán)/軟盤(pán)/光盤(pán))ROM特性：速度慢、價(jià)格低、容量大、永久保存；特性：速度快、價(jià)格高、容量小、非永久存儲(chǔ)；第十二頁(yè)，共49頁(yè)。需要一個(gè)資源管理者---操作系統(tǒng)存儲(chǔ)體系環(huán)境下，程序怎樣被執(zhí)行?存儲(chǔ)體系算術(shù)邏輯單元控制單元寄存器CPU按存儲(chǔ)單元讀寫(xiě)按存儲(chǔ)塊進(jìn)行交換內(nèi)存或主存(RAM)外存(硬盤(pán)/軟盤(pán)/光盤(pán))ROM程序如何存儲(chǔ)在外存上面?程序如何裝載到內(nèi)存中?裝載到哪里?程序如何被CPU執(zhí)行?CPU執(zhí)行哪個(gè)程序?源程序機(jī)器語(yǔ)言程序編譯第十三頁(yè)，共49頁(yè)。核心軟件系統(tǒng)：操作系統(tǒng)----操作系統(tǒng)的作用----復(fù)雜環(huán)境下資源管理----資源管理下的程序執(zhí)行----分工、合作與協(xié)同核心軟件系統(tǒng)：操作系統(tǒng)第十四頁(yè)，共49頁(yè)。操作系統(tǒng)計(jì)算機(jī)硬件用戶(hù)2.3.3核心軟件系統(tǒng)----操作系統(tǒng)什么是操作系統(tǒng)?操作系統(tǒng)的作用是什么?操作系統(tǒng)是控制和管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各種資源(硬件資源、軟件資源和信息資源)、合理組織計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工作流程、提供用戶(hù)與計(jì)算機(jī)之間接口以解釋用戶(hù)對(duì)機(jī)器的各種操作需求并完成這些操作的一組程序集合，是最基本、最重要的系統(tǒng)軟件。操作系統(tǒng)的作用：

操作系統(tǒng)是用戶(hù)與計(jì)算機(jī)硬件之間的接口。

操作系統(tǒng)為用戶(hù)提供了虛擬機(jī)(VirtualMachine)。

操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的資源管理者。第十五頁(yè)，共49頁(yè)。操作系統(tǒng)是一組“管理各種資源以便執(zhí)行應(yīng)用程序”的程序操作系統(tǒng)本身的程序是如此做出來(lái)的：(1)分工。獨(dú)立管理復(fù)雜環(huán)境中的每個(gè)部件。操作系統(tǒng)是如何實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性控制的?磁盤(pán)管理---管理磁盤(pán)信息的讀寫(xiě)內(nèi)存管理---管理內(nèi)存空間的分配與回收CPU管理---調(diào)度CPU去執(zhí)行哪一個(gè)程序第十六頁(yè)，共49頁(yè)。操作系統(tǒng)是一組“管理各種資源以便執(zhí)行應(yīng)用程序”的程序操作系統(tǒng)本身的程序是如此做出來(lái)的：(1)分工。獨(dú)立管理復(fù)雜環(huán)境中的每個(gè)部件。(2)合作。以任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，中心任務(wù)就是“讓計(jì)算機(jī)或者說(shuō)CPU執(zhí)行存儲(chǔ)在外存上的程序”,各部件合作完成該任務(wù)。(3)協(xié)同。當(dāng)基本解決后，關(guān)鍵就是協(xié)同，“合作”和“同步”

,“自動(dòng)化”及“最優(yōu)化”。任務(wù)、作業(yè)與進(jìn)程管理---管理一個(gè)程序執(zhí)行中的各項(xiàng)工作第十七頁(yè)，共49頁(yè)。操作系統(tǒng)對(duì)資源的分工管理----磁盤(pán)管理：化整為零與還零為整----內(nèi)存管理----CPU管理/處理機(jī)管理現(xiàn)代計(jì)算機(jī)：復(fù)雜環(huán)境下程序的執(zhí)行2.3.4操作系統(tǒng)對(duì)資源的分工管理第十八頁(yè)，共49頁(yè)。磁盤(pán)管理：化整為零和還零為整----文件-文件夾/目錄-文件分配表-磁盤(pán)簇塊/扇區(qū)操作系統(tǒng)用戶(hù)信息/程序文件A文件A文件B文件C外存(硬盤(pán)/軟盤(pán)/光盤(pán))2.3.4操作系統(tǒng)對(duì)資源的分工管理操作系統(tǒng)是如何管理磁盤(pán)的?第十九頁(yè)，共49頁(yè)。磁盤(pán)管理的重要概念文件(文件名與文件內(nèi)容)磁盤(pán)扇區(qū)、磁盤(pán)塊文件夾(目錄)文件分配表磁盤(pán)扇區(qū)的存儲(chǔ)內(nèi)容：以十六進(jìn)制顯示每一字節(jié)的0/1信息(專(zhuān)用軟件進(jìn)行讀取)。文件內(nèi)容：以文本文件閱讀器打開(kāi)并顯示的文本文件的內(nèi)容，每一字節(jié)按ASCII碼解讀(“記事本”打開(kāi))。文件目錄(文件夾)及文件名(操作系統(tǒng)管理)磁盤(pán)管理的幾個(gè)重要概念是什么?文件內(nèi)容及磁盤(pán)扇區(qū)存儲(chǔ)示例第二十頁(yè)，共49頁(yè)。NTFS系統(tǒng)的主文件表MFT,即文件分配表磁盤(pán)的四個(gè)主要區(qū)域保留扇區(qū)文件分配表區(qū)域根目錄區(qū)域數(shù)據(jù)區(qū)域??請(qǐng)用相應(yīng)軟件查詢(xún)一張磁盤(pán)的保留扇區(qū)、文件分配表扇區(qū)和根目錄扇區(qū)？并依據(jù)相關(guān)信息依次讀取一個(gè)文件的相關(guān)扇區(qū)內(nèi)容并解析！磁盤(pán)上的幾個(gè)重要區(qū)域分別是什么?磁盤(pán)的重要區(qū)域第二十一頁(yè)，共49頁(yè)。計(jì)算機(jī)病毒攻擊的目標(biāo)磁盤(pán)上的區(qū)域受到病毒攻擊后會(huì)產(chǎn)生什么后果?第二十二頁(yè)，共49頁(yè)。講了什么?算術(shù)邏輯單元控制單元寄存器CPU按存儲(chǔ)單元讀寫(xiě)按存儲(chǔ)塊進(jìn)行交換內(nèi)存或主存(RAM)外存(硬盤(pán)/軟盤(pán)/光盤(pán))ROM程序如何存儲(chǔ)在外存上面??程序如何裝載到內(nèi)存中?裝載到哪里?程序如何被CPU執(zhí)行?CPU執(zhí)行哪個(gè)程序?源程序機(jī)器語(yǔ)言程序編譯第二十三頁(yè)，共49頁(yè)。講了什么?算術(shù)邏輯單元控制單元寄存器CPU按存儲(chǔ)單元讀寫(xiě)按存儲(chǔ)塊進(jìn)行交換內(nèi)存或主存(RAM)外存(硬盤(pán)/軟盤(pán)/光盤(pán))ROM程序如何裝載到內(nèi)存中?裝載到哪里?程序如何被CPU執(zhí)行?CPU執(zhí)行哪個(gè)程序?磁盤(pán)與文件管理第二十四頁(yè)，共49頁(yè)。內(nèi)存管理Dm-1,…,D0存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)：2n由An-1,…,A1,A0等n位二進(jìn)制數(shù)編碼每一個(gè)地址內(nèi)存被分成不同的塊(或頁(yè))，一般而言，內(nèi)存的一頁(yè)和磁盤(pán)的一塊相等或?yàn)槠浔稊?shù)。內(nèi)存管理管什么?第二十五頁(yè)，共49頁(yè)。內(nèi)存儲(chǔ)器分工：操作系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存的管理與控制---使用哪一段內(nèi)存內(nèi)存空間分配內(nèi)存回收內(nèi)存與外存信息的自動(dòng)交換內(nèi)存空間管理內(nèi)存中的程序1000001段內(nèi)存運(yùn)算器控制器CPU狀態(tài)與管控內(nèi)存管理內(nèi)存空間管理內(nèi)存空間分配內(nèi)存與外存信息的自動(dòng)交換內(nèi)存空間回收第二十六頁(yè)，共49頁(yè)。CPU管理/處理機(jī)管理CPU管理/處理機(jī)管理-管什么?內(nèi)存中待執(zhí)行程序段落的地址送控制器的PC(程序計(jì)數(shù)器)內(nèi)存中的多個(gè)程序，執(zhí)行哪一個(gè)程序?程序執(zhí)行切換中的狀態(tài)/環(huán)境保護(hù)問(wèn)題第二十七頁(yè)，共49頁(yè)。操作系統(tǒng)對(duì)資源的合作與協(xié)同管理----程序vs.進(jìn)程----任務(wù)vs.作業(yè)vs.進(jìn)程----操作系統(tǒng)進(jìn)程vs.應(yīng)用程序進(jìn)程----協(xié)同完成應(yīng)用程序的執(zhí)行現(xiàn)代計(jì)算機(jī)：復(fù)雜環(huán)境下程序的執(zhí)行2.3.5操作系統(tǒng)對(duì)資源的合作與協(xié)同管理第二十八頁(yè)，共49頁(yè)。幾個(gè)需要區(qū)分的---被定義為不同的名字-概念程序(文件)---存儲(chǔ)在磁盤(pán)上的程序文件進(jìn)程—裝入內(nèi)存中的程序2.3.5操作系統(tǒng)對(duì)資源的合作與協(xié)同管理什么是程序和進(jìn)程?程序進(jìn)程第二十九頁(yè)，共49頁(yè)。幾個(gè)需要區(qū)分的---被定義為不同的名字-概念任務(wù)：大粒度的工作，一個(gè)應(yīng)用程序的完整的執(zhí)行。一個(gè)任務(wù)由多個(gè)進(jìn)程來(lái)完成作業(yè)：小粒度的工作，不同的作業(yè)由不同的進(jìn)程來(lái)完成什么是任務(wù)-作業(yè)和進(jìn)程?程序進(jìn)程作業(yè)第三十頁(yè)，共49頁(yè)。幾個(gè)需要區(qū)分的---被定義為不同的名字-概念操作系統(tǒng)的進(jìn)程：為使應(yīng)用程序順利執(zhí)行而做的輔助性管理性工作的進(jìn)程。操作系統(tǒng)的進(jìn)程也存儲(chǔ)在內(nèi)存中，也需要調(diào)度CPU來(lái)執(zhí)行；CPU在操作系統(tǒng)進(jìn)程和多個(gè)應(yīng)用程序進(jìn)程之間來(lái)回切換應(yīng)用程序的進(jìn)程：應(yīng)用程序本身的進(jìn)程操作系統(tǒng)進(jìn)程和應(yīng)用程序進(jìn)程是一種什么關(guān)系?應(yīng)用程序的進(jìn)程操作系統(tǒng)的進(jìn)程第三十一頁(yè)，共49頁(yè)。進(jìn)程管理應(yīng)用程序的執(zhí)行過(guò)程及其管理?第三十二頁(yè)，共49頁(yè)。協(xié)同完成“應(yīng)用程序執(zhí)行”協(xié)同完成“應(yīng)用程序執(zhí)行”這一任務(wù)的邏輯步驟是怎樣的?第三十三頁(yè)，共49頁(yè)。協(xié)同完成“應(yīng)用程序執(zhí)行”協(xié)同完成“應(yīng)用程序執(zhí)行”這一任務(wù)的邏輯步驟是怎樣的?第三十四頁(yè)，共49頁(yè)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作過(guò)程現(xiàn)代計(jì)算機(jī)：復(fù)雜環(huán)境下程序的執(zhí)行2.3.6計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作過(guò)程第三十五頁(yè)，共49頁(yè)?？刂婆_(tái)電源外存儲(chǔ)器CPUROMRAMROM中程序操作系統(tǒng)應(yīng)用程序數(shù)據(jù)操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)程序計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工作過(guò)程2.3.6計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作過(guò)程計(jì)算機(jī)是怎樣裝載操作系統(tǒng)的?應(yīng)用程序/數(shù)據(jù)第三十六頁(yè)，共49頁(yè)。操作系統(tǒng)引導(dǎo)過(guò)程及命令執(zhí)行過(guò)程引導(dǎo)程序基本輸入輸出部分磁盤(pán)文件管理部分命令解釋器ROMBIOS用戶(hù)鍵入命令內(nèi)部命令直接執(zhí)行外部命令需要找到程序并裝載入內(nèi)存外部命令執(zhí)行磁盤(pán)ROM操作系統(tǒng)是如何進(jìn)入管理狀態(tài)的?第三十七頁(yè)，共49頁(yè)。操作系統(tǒng)的使用

OS啟動(dòng)OS關(guān)閉初始化系統(tǒng)環(huán)境加載設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序加載服務(wù)程序等加載系統(tǒng)程序,如程序管理器/命令解釋器等

保存用戶(hù)設(shè)置關(guān)閉服務(wù)程序通知其他聯(lián)機(jī)用戶(hù)保存系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)將內(nèi)存內(nèi)容寫(xiě)回外存中正確關(guān)閉相關(guān)設(shè)備操作系統(tǒng)的啟動(dòng)和關(guān)閉操作系統(tǒng)啟動(dòng)階段和關(guān)閉階段要做哪些事情?第三十八頁(yè)，共49頁(yè)。操作系統(tǒng)界面：聯(lián)機(jī)命令接口要熟悉操作系統(tǒng)提供的各種命令操作系統(tǒng)的兩種界面風(fēng)格?第三十九頁(yè)，共49頁(yè)。要熟悉用鼠標(biāo)和鍵盤(pán)操作菜單/對(duì)話框的各種方法操作系統(tǒng)界面：圖形用戶(hù)界面第四十頁(yè)，共49頁(yè)?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)的演進(jìn)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)：復(fù)雜環(huán)境下程序的執(zhí)行2.3.7現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的演進(jìn)第四十一頁(yè)，共49頁(yè)。2.3.7現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的演進(jìn)操作系統(tǒng)如何高效地利用資源?CPU管理---分時(shí)一臺(tái)主機(jī)一個(gè)CPU執(zhí)行多個(gè)程序(來(lái)自于多個(gè)用戶(hù)的多個(gè)終端)ttCPU作業(yè)1作業(yè)2作業(yè)3作業(yè)4操作系統(tǒng)管理著一時(shí)間輪盤(pán)；按照時(shí)間輪盤(pán)的時(shí)間分區(qū)，輪流讓CPU執(zhí)行若干個(gè)程序。由于時(shí)間分區(qū)足夠小，所以每個(gè)作業(yè)的用戶(hù)都認(rèn)為自己獨(dú)占著CPU執(zhí)行執(zhí)行時(shí)間分區(qū)第四十二頁(yè)，共49頁(yè)。CPU管理---并行一臺(tái)主機(jī)多個(gè)CPU執(zhí)行一個(gè)程序作業(yè)的第1部分作業(yè)的第2部分作業(yè)的第3部分作業(yè)的拆分與合并CPU1CPU2CPU3CPU4作業(yè)操作系統(tǒng)將一個(gè)作業(yè)分解成若干個(gè)可并行執(zhí)行的小作業(yè)，由不同的CPU予以執(zhí)行。其中一個(gè)CPU負(fù)責(zé)作業(yè)的拆分與合并工作，如CPU1,如此多CPU并行完成一個(gè)作業(yè)操作系統(tǒng)如何高效地利用資源?第四十三頁(yè)，共49頁(yè)。CPU管理---分布網(wǎng)絡(luò)中多臺(tái)主機(jī)多個(gè)CPU執(zhí)行一個(gè)任務(wù)作業(yè)的拆分與合并CPUCPU作業(yè)一個(gè)作業(yè)被一臺(tái)機(jī)器的操作系統(tǒng)拆分成若干個(gè)可分布與并行執(zhí)行的小作業(yè)，通過(guò)局域網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)傳送到不同的機(jī)器，由不同機(jī)器的操作系統(tǒng)控制其CPU予以執(zhí)行。如此網(wǎng)絡(luò)上，多臺(tái)計(jì)算機(jī)可并行完成一個(gè)作業(yè)。作業(yè)的第1部分作業(yè)的第2部分作業(yè)的第3部分CPUCPUComputerNetwork或Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)谒氖捻?yè)，共49頁(yè)。個(gè)人計(jì)算機(jī)馮.諾依曼計(jì)算機(jī)云計(jì)算環(huán)境計(jì)算系統(tǒng)發(fā)展之重要功勞在于“軟件”,軟件促進(jìn)環(huán)境發(fā)展,

軟件也在隨環(huán)境的變化而發(fā)展并行分布計(jì)算環(huán)境通用計(jì)算環(huán)境的進(jìn)化思維通用計(jì)算環(huán)境是如何演化的？第四十五頁(yè)，共49頁(yè)。云與SaaS是什么？物理機(jī)OS:進(jìn)程執(zhí)行物理機(jī)OS物理機(jī)OS物理機(jī)OS虛擬化OS:將虛擬機(jī)上的進(jìn)程分配到物理機(jī)OS上進(jìn)行執(zhí)行虛擬化OS虛擬化OS虛擬化OS云操作系統(tǒng)(CloudOperatingSystem):跨物理機(jī)管理OS:進(jìn)程O(píng)perationProg1…Progn

OSOperationProg1…Progn

OSOperat