《ch計算機系統(tǒng)》課件

《計算機系統(tǒng)》課程介紹本課程介紹計算機系統(tǒng)的基本概念，主要內(nèi)容涵蓋計算機硬件結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、匯編語言、程序設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)等。計算機系統(tǒng)基本概念硬件計算機系統(tǒng)由硬件和軟件組成。硬件是指計算機系統(tǒng)的物理部分，例如CPU、內(nèi)存、硬盤等。軟件軟件是指計算機系統(tǒng)中的程序和數(shù)據(jù)，例如操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序等。軟件用于控制硬件，執(zhí)行用戶指令。數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)是計算機系統(tǒng)處理和存儲的基本元素，例如數(shù)字、文本、圖像、音頻等。指令指令是計算機系統(tǒng)執(zhí)行的基本操作，例如加減乘除、數(shù)據(jù)移動等。計算機的硬件組成計算機硬件系統(tǒng)由多個相互關(guān)聯(lián)的部件組成，協(xié)同工作以實現(xiàn)信息的處理和輸出。這些主要部件包括中央處理器（CPU）、存儲系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)和總線系統(tǒng)。CPU負(fù)責(zé)執(zhí)行指令，是計算機的核心部件。存儲系統(tǒng)用于存儲數(shù)據(jù)和指令。輸入輸出系統(tǒng)用于與外部世界交互?？偩€系統(tǒng)用于連接各個部件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。中央處理器(CPU)11.核心組成中央處理器包含運算器、控制器和高速緩存。22.核心功能執(zhí)行指令、處理數(shù)據(jù)、控制系統(tǒng)運行。33.指令集計算機理解的語言，包含各種操作指令。44.性能指標(biāo)主頻、核心數(shù)、緩存大小等影響CPU性能。存儲系統(tǒng)內(nèi)存內(nèi)存是計算機系統(tǒng)中用于存儲數(shù)據(jù)的核心組件之一，提供對CPU的快速訪問，并保存正在運行的程序和數(shù)據(jù)。硬盤硬盤是用于存儲大量數(shù)據(jù)的長期存儲設(shè)備，可用于保存操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序、文件和數(shù)據(jù)。它通常比內(nèi)存速度慢，但可以存儲更多數(shù)據(jù)。固態(tài)硬盤(SSD)SSD是一種基于閃存的存儲設(shè)備，速度比傳統(tǒng)硬盤更快，但存儲容量通常較小。它們通常用于提高系統(tǒng)性能和啟動速度。網(wǎng)絡(luò)存儲(NAS)NAS是一種用于在網(wǎng)絡(luò)上共享存儲設(shè)備，可以用于存儲和共享數(shù)據(jù)，并提供遠(yuǎn)程訪問功能。輸入輸出系統(tǒng)輸入設(shè)備鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀等將外部信息轉(zhuǎn)換為計算機可識別的形式，用于向系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)和指令。輸出設(shè)備顯示器、打印機、揚聲器等將計算機處理后的信息轉(zhuǎn)換為人類可理解的形式，用于向外部展示信息。接口接口是連接輸入輸出設(shè)備與計算機的橋梁，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和控制。通信接口網(wǎng)絡(luò)接口卡（NIC）負(fù)責(zé)與網(wǎng)絡(luò)連接，用于實現(xiàn)計算機之間的數(shù)據(jù)通信。總線系統(tǒng)定義總線是計算機系統(tǒng)中不同部件之間傳輸數(shù)據(jù)、控制信號和地址信息的共享通路?？偩€就像高速公路，為數(shù)據(jù)、指令和控制信號提供傳輸路徑，連接CPU、內(nèi)存、外設(shè)等。類型地址總線：傳輸數(shù)據(jù)地址數(shù)據(jù)總線：傳輸數(shù)據(jù)控制總線：傳輸控制信號特點總線具有帶寬、速度和并發(fā)性等特點，影響計算機系統(tǒng)的性能?？偩€設(shè)計和技術(shù)直接影響計算機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸效率和整體性能。操作系統(tǒng)概述操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中最重要的軟件之一。它管理計算機硬件資源，并為應(yīng)用程序提供一個一致的接口。進(jìn)程管理進(jìn)程調(diào)度分配處理器時間，管理并發(fā)進(jìn)程，提高系統(tǒng)效率。內(nèi)存管理分配和回收內(nèi)存空間，防止進(jìn)程沖突，優(yōu)化內(nèi)存利用率。進(jìn)程通信進(jìn)程之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)協(xié)同工作，完成復(fù)雜任務(wù)。同步與互斥協(xié)調(diào)多個進(jìn)程訪問共享資源，防止數(shù)據(jù)競爭，保證數(shù)據(jù)一致性。內(nèi)存管理1內(nèi)存分配將可用內(nèi)存空間分配給不同的進(jìn)程和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。2內(nèi)存保護防止進(jìn)程訪問其他進(jìn)程的內(nèi)存空間，確保數(shù)據(jù)安全。3內(nèi)存共享允許多個進(jìn)程共享相同的內(nèi)存區(qū)域，提高效率。4虛擬內(nèi)存利用硬盤空間擴展物理內(nèi)存，提高系統(tǒng)容量。文件管理文件組織文件管理是操作系統(tǒng)核心功能之一，負(fù)責(zé)存儲、組織和訪問文件。目錄結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)采用層次化的目錄結(jié)構(gòu)，方便用戶管理大量文件。文件搜索操作系統(tǒng)提供搜索功能，幫助用戶快速找到所需文件。訪問控制權(quán)限管理確保數(shù)據(jù)安全，不同用戶擁有不同訪問權(quán)限。輸入輸出管理設(shè)備管理管理連接到計算機的各種輸入輸出設(shè)備，如鍵盤、鼠標(biāo)、打印機等。數(shù)據(jù)傳輸負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)在系統(tǒng)內(nèi)部和外部設(shè)備之間的傳輸，包括數(shù)據(jù)的讀寫、緩沖和控制。中斷處理處理來自輸入輸出設(shè)備的中斷請求，并將其轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可以處理的信號。錯誤處理識別和處理輸入輸出設(shè)備可能出現(xiàn)的錯誤，保證系統(tǒng)的正常運行。安全與保護訪問控制訪問控制是保護計算機系統(tǒng)的重要機制。通過用戶身份驗證和授權(quán)，它可以限制對敏感數(shù)據(jù)的訪問，防止未經(jīng)授權(quán)的訪問和修改。數(shù)據(jù)加密數(shù)據(jù)加密是保護數(shù)據(jù)機密性的重要手段，通過將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為不可讀的密文來防止數(shù)據(jù)泄露和非法訪問。對敏感數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，確保數(shù)據(jù)的安全性。多任務(wù)與并行多任務(wù)處理操作系統(tǒng)可以同時運行多個程序，提高系統(tǒng)效率。并行處理利用多個處理器或核心同時執(zhí)行任務(wù)，加快程序執(zhí)行速度。并發(fā)與并行并發(fā)是指多個任務(wù)在邏輯上同時執(zhí)行，而并行是指多個任務(wù)在物理上同時執(zhí)行。虛擬化技術(shù)硬件虛擬化創(chuàng)建虛擬機，模擬實際硬件環(huán)境。為多個操作系統(tǒng)提供獨立的運行空間，提高資源利用率。操作系統(tǒng)虛擬化提供虛擬機，運行多個操作系統(tǒng)，隔離應(yīng)用程序，提高系統(tǒng)安全性。例如，VMware和VirtualBox。分布式系統(tǒng)分布式系統(tǒng)多臺計算機協(xié)同工作，共同完成任務(wù)。云計算提供可擴展的計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)等服務(wù)，為用戶提供按需使用資源的能力。分布式數(shù)據(jù)庫將數(shù)據(jù)分散存儲在多個節(jié)點上，提高數(shù)據(jù)存儲容量和可用性。分布式服務(wù)通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)用其他節(jié)點的服務(wù)，完成復(fù)雜的任務(wù)。存儲系統(tǒng)存儲系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲和管理的子系統(tǒng)。它包括存儲設(shè)備、存儲控制器和存儲管理軟件等。存儲設(shè)備11.磁盤磁盤是計算機系統(tǒng)中主要的存儲設(shè)備之一。它通常使用磁性材料來存儲數(shù)據(jù)，具有較高的容量和較快的讀取速度。22.固態(tài)硬盤固態(tài)硬盤（SSD）使用閃存芯片來存儲數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)硬盤相比，SSD的速度更快，功耗更低，噪音更小，但成本更高。33.光盤光盤使用光學(xué)技術(shù)來存儲數(shù)據(jù)，包括CD、DVD和Blu-ray等類型。光盤通常用于存儲音頻、視頻和軟件等數(shù)據(jù)，其容量和讀取速度取決于具體類型。44.磁帶磁帶是一種較舊的存儲設(shè)備，其使用磁性帶材來存儲數(shù)據(jù)，容量大但讀取速度較慢。磁帶通常用于備份數(shù)據(jù)和存檔數(shù)據(jù)。RAID技術(shù)冗余磁盤陣列RAID，全稱為RedundantArrayofIndependentDisks，是將多個磁盤驅(qū)動器組合成一個邏輯驅(qū)動器，以提高數(shù)據(jù)存儲可靠性和性能的一種技術(shù)。數(shù)據(jù)冗余和性能提升RAID通過數(shù)據(jù)鏡像或奇偶校驗等方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余，即使磁盤發(fā)生故障，也不影響數(shù)據(jù)訪問，同時提高讀寫速度。不同級別的RAIDRAID分為多個級別，每個級別有不同的數(shù)據(jù)冗余和性能特點，例如RAID0、RAID1、RAID5等。磁盤調(diào)度算法先來先服務(wù)(FCFS)按請求到達(dá)的順序進(jìn)行調(diào)度，簡單易實現(xiàn)，但可能導(dǎo)致磁盤臂頻繁移動。最短尋道時間優(yōu)先(SSTF)選擇距離當(dāng)前磁頭最近的請求，能夠減少平均尋道時間，但可能造成“饑餓”現(xiàn)象。掃描(SCAN)磁頭從一端掃描到另一端，處理所有請求，然后反向掃描，避免“饑餓”現(xiàn)象。循環(huán)掃描(C-SCAN)只向一個方向掃描，到達(dá)一端后立即返回另一端開始掃描，提高效率。存儲管理11.存儲分配管理內(nèi)存分配，包括連續(xù)分配、分頁式分配、分段式分配。22.內(nèi)存保護防止程序訪問其他程序的內(nèi)存空間，保證系統(tǒng)安全和穩(wěn)定。33.頁面置換當(dāng)內(nèi)存空間不足時，將內(nèi)存中的頁面換出到磁盤上，需要時再調(diào)入。44.內(nèi)存碎片管理內(nèi)存分配過程中會產(chǎn)生碎片，需要使用內(nèi)存壓縮等技術(shù)進(jìn)行處理。存儲虛擬化資源整合虛擬化可以將多個物理存儲設(shè)備整合為一個邏輯存儲池，提高存儲資源利用率，降低成本。簡化管理虛擬化可以將復(fù)雜的操作簡化為更簡單的操作，例如創(chuàng)建、刪除和管理存儲卷，提高管理效率。云存儲數(shù)據(jù)存儲和管理將數(shù)據(jù)存儲在遠(yuǎn)程服務(wù)器上，用戶通過網(wǎng)絡(luò)訪問和管理數(shù)據(jù)。彈性擴展根據(jù)需求調(diào)整存儲空間，無需預(yù)先購買物理存儲設(shè)備。安全性和可靠性提供數(shù)據(jù)加密、備份和災(zāi)難恢復(fù)功能，確保數(shù)據(jù)安全和高可用性。嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)是指專門用于執(zhí)行特定任務(wù)的計算機系統(tǒng)。這些系統(tǒng)通常是定制的，并針對其特定應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。實時系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)專門設(shè)計用于在嚴(yán)格的時間限制內(nèi)處理事件。工業(yè)控制實時系統(tǒng)廣泛用于工業(yè)自動化，例如機器人控制和過程控制。醫(yī)療設(shè)備醫(yī)療設(shè)備依賴于實時系統(tǒng)來執(zhí)行關(guān)鍵任務(wù)，例如心電圖儀和呼吸機。多媒體系統(tǒng)數(shù)字媒體處理多媒體系統(tǒng)處理音頻、視頻、圖像等數(shù)字媒體內(nèi)容。多媒體硬件包括音頻卡、視頻卡、攝像頭、麥克風(fēng)等。多媒體軟件音頻編輯器、視頻編輯器、播放器等軟件。網(wǎng)絡(luò)多媒體網(wǎng)絡(luò)多媒體技術(shù)將數(shù)字媒體內(nèi)容與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合。數(shù)據(jù)中心服務(wù)器集群數(shù)據(jù)中心的核心是服務(wù)器集群，提供高性能計算和存儲能力。網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施高速網(wǎng)絡(luò)連接，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎涂煽啃浴９╇娤到y(tǒng)穩(wěn)定可靠的供電系統(tǒng)，保障數(shù)據(jù)中心的正常運行。冷卻系統(tǒng)高效的冷卻系統(tǒng)，控制服務(wù)器的溫度，確保其穩(wěn)定運行。大數(shù)據(jù)技術(shù)11.數(shù)據(jù)量巨大大數(shù)據(jù)通常是指無法用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫技術(shù)進(jìn)行存儲、管理和分析的數(shù)據(jù)集。22.數(shù)據(jù)類型多樣大數(shù)據(jù)包含各種類型的數(shù)據(jù)，包括結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。33.數(shù)據(jù)處理速度快大數(shù)據(jù)需要實時處理，以便快速獲取信息并做出決策。44.應(yīng)用領(lǐng)域廣泛大數(shù)據(jù)在許多領(lǐng)域都有應(yīng)用，例如商業(yè)智能、醫(yī)療保健、金融和安全。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)智能家居智能家居通過傳感器、網(wǎng)絡(luò)和智能設(shè)備實現(xiàn)自動化和遠(yuǎn)程控制，例如照明、溫度、安全和娛樂系統(tǒng)。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)將傳感器和網(wǎng)絡(luò)連接到工業(yè)設(shè)備，實現(xiàn)實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析和生產(chǎn)優(yōu)化。智慧城市智慧城市利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)改善城市基礎(chǔ)設(shè)施，例如交通管理、能源效率和環(huán)境監(jiān)測。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)利用傳感器和數(shù)據(jù)分析提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，例如灌溉控制、病蟲害監(jiān)