20140710-大学计算机第4讲-现代计算机-复杂环境下程序执行
现代计算机-复杂环境下程序执行[1]
![现代计算机-复杂环境下程序执行[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/ce7d830c10a6f524ccbf85a9.png)
幻灯片1大学计算机-计算思维导论李旻先minxianli@南京理工大学计算机科学与工程学院幻灯片2第4讲现代计算机：复杂环境下程序执行理解“复杂环境下程序是如何被执行的”---有助于理解资源受约束条件下问题解决方案的构造---有助于建立问题求解的大思维---有助于理解并建立各学科具体问题求解的计算环境，实现跨学科的共同创新幻灯片3内容提要基本目标: 理解现代计算机系统的工作思维基本思维：存储体系磁盘存取操作系统作业与进程程序执行的管理与控制；资源组合利用体系化、管理分工合作协同化、外存程序内存进程化、硬件不足功能软件化 幻灯片42.3 现代计算机：复杂环境下程序的执行 2.3.1 现代计算机系统的构成现代计算机系统的构成 ----硬件、软件、数据与网络幻灯片52.3.1 现代计算机系统的构成现代计算机系统包括了什么?现代计算机系统由硬件、软件、数据和网络构成 网络改变着人们的工作、生活甚至是思维习惯数据是根本内存CPU各种电路板主电路板主机箱输出设备输入设备软件正在占领全世界网络数据软件硬件--外部设备--主电路板/接口电路板硬件核心输入输出设备幻灯片6个人计算机是一种什么结构? 个人计算机计算机硬件由主机和外部设备两大部分构成。
幻灯片7 个人计算机●主电路板●接口电路板幻灯片8个人计算机●本质：冯.诺依曼计算机幻灯片9软件起什么作用?计算机软件由系统软件和应用软件两大类构成:系统软件是用于对计算机进行管理、控制、维护，或者编辑、制作、加工用户程序的一类软件。
应用软件则是用于解决各种实际问题、进行业务工作的软件OracleSQL ServerDB2HadoopGFS …...C/C++/Visual C++Java, Php, JSPPythonFORTRANBASIC/VBPASCAL……应用程序/软件包Cloud Application语言处理系统WebSphere WebLogic Tomcat OSGi GAE…... VMWare VSPhere XEN OpenCloud OpenStack Amazon EC2 Eucalyptus计算机硬件(裸机)幻灯片10现代计算机：复杂环境下程序的执行2.3.2 现代计算机的存储体系现代计算机的存储体系----内存 vs. 外存 vs. 存储体系----存储体系环境下程序执行面临的问题幻灯片11前讲的冯.诺依曼计算机还有什么问题?冯.诺依曼计算机(前讲)解决了：程序装载在内存，便可被CPU执行永久存储问题?存储容量问题?存储?存储器价格问题?外存：硬盘/软盘盘面:磁道:扇区一个扇区存放512个字节。
第5章 计算机执行程序的过程
ALU把MDR
6
输出与AC输出 相加，结果送
①=00
AC输出计算结 果
AC
控制信号产 生电路
①②③④⑤⑥
PC ⑤
+4
CLK
1）ADD指令
时钟周期1 时钟周期2
准备指令 地址
取指
时钟周期3 时钟周期4
传送指令 译码
时钟周期5
取数
时钟周期6
计算
③=0 ④=0
②=1
⑥=1
③=1 ④=0
⑤=01
②=1
5d
pop %ebp
同？如何确定操作数是在寄
6 804839e: c3
ret
存器中还是在存储器中？一
条指令执行结束后如何正确
°对于add函数
读取到下一条指令？
✓指令按顺序存放在0x08048394开始的存储空间。
✓各指令长度可能不同，如push、pop和ret指令各占一个字节，第2行 mov指令占两个字节，第3行mov指令和第4行add指令各占3字节。
指令时，则需要根据条件码、操作码和寻址方式等确定下条指令地址。
机器指令的执行过程
° CPU执行指令的过程 - 取指令 - 指令译码 - 进行主存地址运算 - 取操作数 - 进行算术 / 逻辑运算
“1”：指一条 指令的长度，定 长指令字每次都 一样；变长指令 字每次可能不同
- 存结果
- PC+“1”
RW
3 MDR送IR
⑥=1 IR输出指令
存储体
IR操作码字段
进行译码；IR 地址码字段送 MAR
③=1
①
4 设置读条件 ④=0
MAACR输出数 ②
A据L地U 址，RW 输出读信号
计算机系统结构第4章精品PPT课件
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4/1344.1 指令来自并行1. 循环级并行：使一个循环中的不同循环体并行执行。 ➢ 开发循环体中存在的并行性
最常见、最基本
➢ 是指令级并行研究的重点之一 ➢ 例如，考虑下述语句：
for （i=1； i<=500； i=i＋1） a[i]=a[i]＋s； 每一次循环都可以与其他的循环重叠并行执行； 在每一次循环的内部，却没有任何的并行性。
（ILP：Instruction-Level Parallelism）
➢ 本章研究：如何通过各种可能的技术，获得更多 的指令级并行性。
硬件＋软件技术 必须要硬件技术和软件技术互相配合，才能够最大 限度地挖掘出程序中存在的指令级并行。
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4.1 指令级并行
1. 流水线处理机的实际CPI ➢ 理想流水线的CPI加上各类停顿的时钟周期数：
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4.1 指令级并行
1. 最基本的开发循环级并行的技术 ➢ 循环展开（loop unrolling）技术 ➢ 采用向量指令和向量数据表示
2. 相关与流水线冲突 ➢ 相关有三种类型：
数据相关、名相关、控制相关
➢ 流水线冲突是指对于具体的流水线来说，由于相关 的存在，使得指令流中的下一条指令不能在指定的 时钟周期执行。
➢ 读操作数（Read Operands，RO）：等待数据冲 突消失，然后读操作数。
(out of order execution)
IS
RO
检测结构冲突 检测数据冲突
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4.2 指令的动态调度
1. 在前述5段流水线中，是不会发生WAR冲突和WAW冲突 的。但乱序执行就使得它们可能发生了。
第4章 指令级并行
第5讲课程内容导读
大学计算机-计算思维导论 1 第5讲现代计算机-复杂环境下程序执行1、快速浏览---本讲视频都讲了什么?【视频5.1 现代计算机系统的构成】计算机系统仅仅包含硬件吗？还包括什么…？什么是软件？有哪些类别的软件呢？请看本视频。
【视频5.2现代计算机的存储体系】对现代计算机演进过程的理解，需要首先理解存储体系。
从最初的冯.诺依曼计算机(第4讲讲授)发展到今天的计算机，其最根本的促进因素是“存储和执行程序环境”的变化，而最基本的环境就是“CPU-内存-外存”存储体系。
内存、外存的特点与分工是什么？怎样才能说是存储体系呢？视频中说这也体现了“不同性能资源的组合优化”思维，这种思维在现实生活中有用吗？--请看视频5.2。
【视频5.3操作系统对计算机资源的分工-合作与协同管理思想】存储体系是需要自动管理的，只有有效的管理才能使不同类别的存储资源—速度较低容量较大可永久保存的外存和速度较快容量较小具电易失性的内存，做到协调一致而无需使用者关心。
如何做到？这就需要操作系统。
什么是操作系统呢？直觉上，操作系统是非常复杂的，也是难于理解和把握的。
但如果按照课程视频给出的理解方式“分工-合作与协同”来理解“管理各种资源以便执行应用程序”的操作系统(其本身也是一组程序)，你是否觉得操作系统也很容易理解呢…视频中说“分工-合作与协同”是“化简复杂问题，进行复杂问题求解的重要思维”，你认同吗？【视频5.4操作系统对几种资源的分工管理】视频5.4是对视频5.3的分工-合作与协同思维的深化讲解。
既讲授了分工-合作与协同这种一般思维中的“分工管理”，又简要讲解了操作系统--对不同类别资源的分工管理的内涵。
本段视频中给大家介绍的磁盘管理—化整为零与还零为整的思维，在计算学科当中有广泛的应用，在计算机中它怎么做的呢？【视频5.5操作系统对资源的合作与协同管理】视频5.5是对视频5.3的分工-合作与协同思维的深化讲解。
既讲授了分工-合作与协同这种一般思维中的“合作与协同管理”，又简要讲解了操作系统--不同类别资源如何合作与协同地完成应用程序的执行这一任务。
《大学计算机基础》课件第2章
图2-16 操作系统的桥梁作用
2.3.4 应用软件
操作系统使硬件系统具备“生命”的基本条件，但要 “思维并解决问题”，还需要各种各样的应用软件。
2.3.5 软件和硬件的关系
从应用的角度看，硬件和软件在逻辑功能上是可以等效 的。
2.4 组装微型计算机
1．硬件安装 2．软件安装
1．总线及其分类 2．计算机 USB接口 4) IEEE 1394 5) 硬盘接口
2.2.6 输入/输出设备
1．输入设备 1) 键盘 通常包括数字键、字母键、符号键、功能键和控制键等， 并分放在一定的区内，如图2-12所示。
(1) 主键区。 (2) 小键盘区。 (3) 编辑键区。 编辑键区的10功能键又分成8个光标移动键和2个编辑操 作键(Del和Ins)，如表2-1所示。 (4) 功能键区。
1．CPU的发展 CPU的发展一直遵循“摩尔定律”。 图2-6给出了英特尔酷睿2双核处理器的外型结构。 2．衡量CPU性能的主要技术指标 (1) CPU主频。 (2) CPU字长。 (3) 外频和倍频。 3．国产CPU——龙芯
图2-6 英特尔酷睿2 双核处理器的外型结构
2.2.4 存储器
存储器(Memory)是计算机系统中的记忆设备，用来存 放程序和数据。
按键 ? ? ? ?
H ome E nd
表2-1 编辑键区按键及功能
光标左移一个 字符 光标右移一个 字符 光标上移一个 字符 光标下移一个 字符 光标移到行头 或当前页头 光标移到行尾 或当前页尾
功能
续表
按键
功能
PageUp
光标移到 上一页
PageDown Del
光标移到 下一页 删除键。 删除光标位置 的一个字符
2010计算机导论Chapter4复习提纲
哈尔滨工业大学《计算机导论》课程复习提纲
任课教师：战德臣，聂兰顺
的且各组成要素之间是有关联的(内特性)。组成要素很多，可以仅描述与系统相关的组成要 素即可(复杂度)。 控制论基础：系统被区分为物理系统和控制系统。控制系统通常是计算系统，它接受来 自物理系统的数据及状态，进行决策并下达指令控制物理系统的运行(控制与被控)。 分解论基础：系统是复杂的，化解复杂为简单的办法就是分解，将系统分解为不同的部 分，各个击破。分解、再分解，直到清楚为止。 6.结构化方法的基本思想 结构化方法的基本思想是系统的外特性和内特性分离描述， 首先刻画外特性， 即系统的 边界和环境。外特性刻画清楚后，再刻画内特性，即系统的构成。 外特性的刻画方法如下，以功能或活动为中心，刻画功能的输入、输出、目标与控制和 支撑等；输入：从外界传到系统中的信息；输出：从系统中传到外界的信息；功能或活动： 被认为是将输入转换为输出的一种变换过程。一般，宏观层面称功能，而微观层面称活动。 目标与控制：功能应达到的目标，或者说，功能是在目标与控制的控制下执行。支撑：执行 功能或活动所需要的必要的支撑条件。 外特性刻画中将系统内部构成封装起来， 以屏蔽内部 细节对外特性描述的干扰。 内特性以单独的图来描述， 描述其功能分解、 每一子功能在该功能内的外特性及各个子 功能关系的描述。功能分解：上级功能被分解为若干个下级功能(被称为子功能)，从逻辑上 这些子功能的集合应等价于该上级功能。 子功能外特性的描述： 描述每一个子功能的外特性。 子功能关系的描述：建立子功能之间的关系。可以认为：功能(内部构成)＝子功能的集合＋ 子功能外特性集合＋子功能之间关系的集合。 如此自顶向下，逐级分解，便可由粗至细将一个复杂系统刻画清楚。 7. 结构化方法的基本原则 抽象原则： 抽象原则是一切系统科学方法都必须遵循的基本原则， 它注重把握系统的本 质内容而忽略与系统当前目标无关的内容， 即： 既能够理解细节， 同时又能从细节中跳出来。 模型化原则：抽象的结果需要通过模型来表达，尽可能采用非数学化模型(图示化模型) 和形式化模型来表达(后者要比前者严格) 。必要情况下，也可以数学化模型来表达。典型 的模型包括： 分解原则： 分解原则是结构化方法中最基本的原则， 它是一种先总体后局部的思想原则， 在构造信息系统模型时，它采用自顶向下分层解决的方法。 模块化原则： 模块化是结构化方法最基本分解原则的具体应用， 它主要出现在结构化设 计阶段中，其目标是将系统分解成具有特定功能的若干模块从而完成系统指定的各项功能。 等价性原则：上级功能和下级子功能在边界范围内的宏观意义上的等价性原则。 8.面向对象方法的基本思想 面向对象方法的基本思想： (1)确定系统的范围，识别出系统可能涉及的对象(类)； (2)对每一个对象做如下的工作：识别该对象的所有状态；识别对象的状态转换及转换 条件和动作；识别该对象的所有可能的活动；识别该对象的数据存储与显示；识别该对象的 其他特性。 (3)对所有对象，按识别的内容建立相关的模型。 简单而言，以对象为中心, 逐一地独立地分析或设计每一对象的复习提纲
大学计算机基础第4章
程序:是静态的概念,一个进程可以 对应一个程序或一段程序。
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2、进程的基本特征
动态性：是进程最基本的特征 并发性：是进程最重要的特征 独立性
异步性
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3、进程的组成 为了进程的控制和管理，进程由三个 部分组成：程序块、数据集合、进程控制 块。 程序块：描述进程所要完成的操作；
数据集合：包括进程执行时所需要的 数据集和工作区； 进程控制块：是进程控制的核心机制。
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4、虚拟设备 虚拟设备或逻辑设备：为用户所感觉 到，而实际上并不存在的设备。通过虚拟 设备技术使某设备成为被多个用户共享的 设备，使每个用户都感觉到自己在独占该 设备。
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（四）文件管理 计算机要处理的大量的数据是以文件 的形式存储在磁盘上的，文件管理（文件 系统）的主要任务就是有效地支持文件的 存储、检索和修改等操作，解决文件的共 享、保密和保护问题，是用户方便、安全 地使用所需的文件。 几个知识点：
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3、文件系统 – 对文件进行组织、管理、存取的一组 系统程序； – Windows常见的文件系统 FAT NTFS
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4、文件管理包括以下功能： 文件目录管理
存储空间管理
文件共享与安全管理
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（1）文件目录管理
文件目录是联系用户和外存中文件之间的 纽带，用户在使用文件时不必关心文件的存储 细节。文件系统的目录结构为树状结构。
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（五）作业管理
（1）命令接口 （2）系统调用接口
（3）图形用户接口
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（1）进程控制 进程控制的基本功能是创建和撤消 进程以及控制进程状态的转换。
（2）进程同步
大学计算机基础 第4章
单击工具箱中的魔术棒工具，设置容差为100。用鼠 标单击女孩身上，产生一个包含女孩和船的选择区域。
使用矩形选框工具或套索工具，按住Alt键拖动鼠标 将多余的的区域去掉；按住Shift键拖动鼠标将需要 补充的将新区域加上去。
点击“图像→调整→亮度/对比度”菜单命令， 打开亮度/对比度对话框。拖移对话框中的滑块 以调整亮度和对比度，向左拖移降低亮度和对比 度，向右拖移则扶加亮度和对比度。每个滑块右 侧的数字显示有亮度或对比度值。数值的范围为 －100～+100。调整过程中，如果选择了“亮 度/对比度”对话框中的“预览”选择框，就可 以在Photoshop窗口中查看调整亮度和对比度后 的图像效果。完成调整之后，单击“好”按钮， 正式将调整的结果应用到图像中，改变数字图像 的效果。
利用数码相机和数字摄像机获得。数码相机可 以直接获得数字图像；数字摄像机可以获得动 态视频图像，再利用抓图方法可从动态视频中 捕获静态图像。
利用扫描仪获得。用户可以利用扫描仪将照片、 美术图片等图片扫描到计算机中并将其以某一种 文件格式保存。
在播放VCD和DVD视盘时，从屏幕上捕获。例如， 利用超级解霸播放VCD时，便可从当前画面中捕 捉图像。
WMA文件 ：WMA文件是一种可以与MP3格式 媲美的音频格式。它压缩比高、音质好，同样音质 的WMA文件的体积只是MP3文件的1/2甚至更小， 更加有利于网络传输。播放WMA最出名的软件是 Windows media player播放器。
图形图像信息处理
图形图像技术是多媒体技术的重要组成部分
图像的获取
从市场购置光盘获得。目前市 场上有很多销售的光盘图形图 像库，如人物图片、风光摄像、 美术图片等。
第章现代计算机复杂环境下程序执行练习题答案解析
第5章现代计算机：复杂环境下程序执行1、关于现代计算机系统，下列说法正确的是_____。
(A)计算机就是一个主机箱、一个显示器、一个键盘和一个鼠标；(B)计算机不仅仅是主机箱、显示器、键盘和鼠标，还包括扫描仪、打印机、各种数码设备；(C)计算机不仅仅是如(B)一样的硬件设备，其最重要的部分是软件，安装在该计算机的各种各样的软件才能体现出该计算机功能的强弱；(D)人们认为，计算机不仅仅包括硬件和软件，还包括网络和数据，很多的软件都可通过网络来使用，人们的注意力已经从关注软硬件转移为关注各种各样的数据；(E)上述都不正确。
答案：D解释：本题考核现代计算机系统相关知识；计算机不仅仅包括硬件（主机箱、显示器、键盘和鼠标，还包括扫描仪、打印机、各种数码设备）和软件，还包括网络和数据，很多的软件都可通过网络来使用，人们的注意力已经从关注软硬件转移为关注各种各样的数据。
所以D正确。
具体内容请参考第五章视频之“现代计算机系统的构成”以及第五章课件。
2、关于普通计算机的主机箱中有什么，下列说法正确的是_____。
(A)主机箱中有电源，还有一块电路板--即主板。
主板上有一个微处理器(CPU)；(B)主机箱中有电源和主板。
主板上有微处理器和内存(条)；(C)主机箱中有电源和主板。
主板上有微处理器和内存(条)；还有各种磁盘驱动器被连接到主板上进而接受CPU 的控制；(D)主机箱中有电源，主板。
主板上有微处理器和内存(条)；还有各种磁盘驱动器被连接到主板上进而接受CPU 的控制；主板上还有若干个插槽，这些插槽可用于各种外部设备的接口电路板与主板的连接；主板上也有若干已做好的接口，直接用于连接各种外部设备。
答案：D解释：本题考核计算机的主机箱相关内容；主机箱中有电源，主板。
主板上有微处理器和内存(条)；还有各种磁盘驱动器被连接到主板上进而接受CPU的控制；主板上还有若干个插槽，这些插槽可用于各种外部设备的接口电路板与主板的连接；主板上也有若干已做好的接口，直接用于连接各种外部设备。
20140710-大学计算机第4讲-现代计算机-复杂环境下程序执行
分工：操作系统对CPU的管 理与控制---执行哪一个进程 等待
与 状态
管控
控制器
CPU 内存储器
合作：操作系统对任务、作 业和进程的管理与控制
就绪
运行
状态 与
进程1的状态控制
管控
装载
分工：操作系统对内存的管 理与控制---使用哪一段内存 内存空间管理 内存空间分配 内存与外存信息的自动交换
进程1
任务与作业管理
应用程序 000001段内存 的进程
应用程序的执行过程及其管理?
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磁盘的重要区域
NTFS系统的主文件表MFT, 即文件分配表
磁盘的四个主要区域
• 保留扇区
• 文件分配表区域 • 根目录区域
• 数据区域
??请用相应软件查询一 张磁盘的保留扇区、文 件分配表扇区和根目录 扇区？并依据相关信息 依次读取一个文件的相 关扇区内容并解析！
磁盘上的区域受到病毒攻击后会产生什么后果?
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存储体系
不同性能资源的组合优化
特性：速度慢、价格低、 容量大、永久保存；
CPU
寄存器 算术逻 辑单元 控制 单元
按
ROM
特性：速度快、价格高、 容量小、非永久存储；
外存(硬盘/软盘/光盘)
内存或主存(RAM)
存储单元读写
按存储
块进行交换
存储体系环境下，程序怎样被执行?
编译
13/50
机器语言程序
程序
用户请求 执行程序
调用“处理机管理” 执行相应作业 调用“程序装载“执行相应作业 调用“内存管理” 执行相应作业 调用“进程管理” 执行相应作业
大学计算机基础 第4章
人工智能是计算机科学的一个分支， 旨在研究、开发能够模拟、延伸和扩 展人类智能的理论、方法、技术及应 用系统。机器学习则是人工智能的一 个子集，它利用算法和统计模型使计 算机系统能够自动地从数据中学习和 改进，而无需进行显式的编程。
物联网与嵌入式系统
物联网是指通过信息传感设备（如射 频识别、红外感应器、全球定位系统 等）按照约定的协议，对任何物品进 行信息交换和通信，以实现智能化识 别、定位、跟踪、监控和管理的一种 网络。嵌入式系统则是一种专用的计 算机系统，它被嵌入到各种设备中， 用于控制和管理设备的运行。
信息安全防范策略和方法
安全防范策略
制定完善的安全管理制度和操作规程，加强员工安全意识培训，定期评估安全风险和漏洞。
安全防范方法
采用防火墙、入侵检测系统、反病毒软件等安全技术手段，实施数据加密和备份措施，限制不必要的网络服务和 端口开放。
06 总结回顾与拓展延伸
本章重点内容回顾
计算机系统组成
包括硬件系统和软件系统两大部分，其中硬件系 统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出 设备五大部分组成，而软件系统则包括系统软件 和应用软件。
信息安全重要性
信息安全对于个人、组织和国家都具 有重要意义，它涉及到隐私保护、财 产安全、商业机密、国家安全等方面 ，是数字化时代不可或缺的保障。
常见信息安全威胁与攻击手段
常见信息安全威胁
包括病毒、蠕虫、木马、勒索软件、钓鱼攻击、DDoS攻击 等。
攻击手段与途径
攻击者可能通过电子邮件附件、恶意网站、漏洞利用、社交 工程等手段实施攻击，以获取敏感信息、破坏系统或窃取资 源。
中断与异常处理原理
计算机在运行过程中遇到中断或 异常时，会暂停当前程序执行，
大计题库(上)
1.计算机能够自动、准确、快速地按照人们的意图进行运行的最基本思想是__A___。
A、存储程序和程序控制B、采用操作系统C、采用CPU作为中央核心部件D、采用超大规模集成电路2若一台计算机的字长为4个字节，这意味着它__B___。
A、能处理的字符串最多位4个英文字母组成B、在CPU中作为一个整体加以传送处理的代码位32位C、在CPU中运行的结果最大位2的32次方D、能处理的数值最大为4位十进制数99993磁盘存储器存、取信息的最基本单位是_B____。
A、磁道B、字节C、字长D、扇区4下列四个不同进制的无符号数中，数值最小的是_____。
A、202OB、96HC、150D 5389D、10010110B5我们经常说40X光驱，指的是光驱的__C___。
A、类型C、存取速度D、都不是6通常情况下，在开机启动时按下___D__键可以进入BIOS设定界面。
A、F1B、AltC、EscD、Delete7在下列选项中，B_____属于微型计算机的内存。
A、软盘B、RAMC、CD-ROMD、U盘8现在___D__显卡已经成了个人计算机的基本配置和市场主流。
A、ISAB、AGPC、以上都不对D、PCI-E9Cache与_____封装在一个芯片中。
A、RAMB、ROMC、CPU10计算机主机的组成有CPU和_____。
A、显示器B、外部设备C、主机箱D、内存储器11HUB又称__D___，是一种多端口的中继器。
A、网桥B、交换机C、路由器D、集线器12__A__是超文本传输协议，用于规定在WWW上浏览网页时所遵循的规则和操作，使浏览器有统一的规则和标准，从而增强了网页的适用性，允许传输任意类型数据。
A、HTTPB、TCP/IPC、FTPD、TELNET13___A__是局域网络系统中的核心计算机，为网络用户提供各种网络服务和共享软硬件资源。
A、服务器B、交换机C、工作站14在下面的服务中，_____不属于Internet标准的应用服务。
《大学计算机基础》重要知识点汇总五
《大学计算机基础》重要知识点汇总五121.操作系统的程序程序是指编程人员要求计算机完成某项任务时所应该采取的顺序步骤，是可实现某一具体功能的一组有序指令的集合。
程序是一个静态的概念，是一串操作序列，因此程序只有经过计算机执行才能得到最后的结果。
122.操作系统的进程进程是并发执行程序在某个数据集合上的执行过程，是系统资源分配和调度的基本单位。
它是一个动态概念。
程序准备执行时，系统才开始创建相应的进程，并为该进程准备内存资源、CPU计算资源等；在程序执行过程中，进程的状态可能会随时变化；程序执行完毕，系统撤销相应的进程，并收回原来准备的各种资源。
因此进程是系统分配资源的单位。
进程由三部分组成：进程控制块（PCB，Process Control Block）、有关程序段和与该程序段相关的数据结构集合。
进程的程序段部分描述进程所要完成的功能。
数据结构集是程序在执行时必不可少的工作区和操作对象。
这两部分是进程完成所需功能的基础。
123.进程与程序的关系（1）进程是一个动态概念，而程序则是一个静态概念。
程序是指令的有序集合，没有任何执行的含义。
而进程则强调执行的过程，它动态地创建，并被调度执行后消亡。
举例来说，如果把程序比作菜谱上描述做菜的方法和步骤，则进程可看作是按照菜谱做菜的实际过程。
（2）进程具有并发特性，而程序没有。
在不考虑资源共享的情况下，各进程的执行是独立的，各进程的执行速度也各不相同。
而程序不反映执行过程，所以不具有并发特性。
（3）进程是竞争计算机系统资源的基本单位，是系统中独立存在的实体。
（4）进程的存在必然需要程序的存在，但两者并非一一对应。
由于进程是程序的执行过程，所以程序是进程的组成部分，多个进程可以包含同一程序，只要该程序所对应的数据集不同。
而未被执行的程序不对应任何进程。
124.操作系统的进程控制块进程控制块用于存放进程的管理和控制信息。
它是系统对进程进行管理和控制的最重要的数据结构，每个进程的唯一标识就存储在进程控制块中。
第4讲课程内容导读
大学计算机-计算思维导论 1第4讲冯.诺依曼计算机器-程序执行1、快速浏览---本讲视频都讲了什么?【视频4.1 图灵机的思想与模型简介】计算机是遵循一个理论模型来实现的，这个理论模型就是“图灵机”。
图灵机是一种用数学方法表达的计算机，它很好地解释了指令、程序与程序执行的概念，阐述了怎样实现“自动计算”。
数学上图灵机采用一个五元组来表达程序，采用状态转换图来直观地反映程序的执行过程。
理解一些“图灵机”的知识对理解程序及程序执行很有帮助……。
【视频4.2冯诺依曼计算机思想与构成】冯.诺依曼计算机是按照图灵机模型实现的计算机。
运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备，各司其职，相互协作完成程序的执行。
这五大部件各具有什么功能呢？为什么要将“运算”和“存储”分离呢？冯.诺依曼计算机体现的是“存储程序”的思想，这种思想的内涵是什么呢，它的价值又体现在哪里呢？--请看视频4.2。
这一节要理解：这里的存储器是指主存储器或内存储器。
运算器和控制器被集成到一块芯片上，被称为中央处理单元(CPU)。
【视频4.3自动存取存储器的工作原理】“存储程序”遇到的第一个问题就是“数据”和“程序”如何实现自动存自动取。
在第2讲中我们知道数据和程序都可以被表达成0和1(通过二进制和编码)，那么只要解决了如何自动存取0和1便解决了数据和程序的自动存取问题。
存储器在自动存取“数据”和“程序”的时候可以类比“学生宿舍管理”，请看视频是如何类比解释存储器的相关概念的… …。
这一节的重点是理解如下几个概念：存储器，存储单元，地址。
存储器是通过“地址”访问“存储单元”的内容，一个存储单元对应一个地址，即所谓按地址访问。
进而要理解存储容量，地址空间和存储字长等概念。
【视频4.4机器指令与机器级程序】“存储程序”遇到的第二个问题就是“程序”如何来表达？数据和程序都可以通过进位制和编码被表达成0和1串，存储在存储器中。
机器能够识别和执行的指令被表达成0和1，用机器指令编写的求解具体问题的程序被表达成0和1。
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计算机硬件(裸机)
现代计算机：复杂环境下程序的执行 2.3.2 现代计算机的存储体系
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现代计算机的存储体系
----内存 vs. 外存 vs. 存储体系 ----存储体系环境下程序执行面临的问题
前讲的冯.诺依曼计算机还有什么问题?
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冯.诺依曼计算机(前讲) 解决了：程序装载在内存，便可被CPU执行
永久存储问题? 存储容量问题? 存储速度问题? 存储器价格问题?
什么是内存? 什么是外存? 它们在计算机系统中的作用是什么?
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内存(主存)与外存(辅存)
内存：RAM/ROM
地址：存储单元
1、2、4或8个字节
外存：硬盘/软盘
盘面:磁道:扇区
一个扇区存放512个字节。
什么是存储体系? 存储体系要解决什么矛盾?
核心软件系统：操作系统
----操作系统的作用 ----复杂环境下资源管理 ----资源管理下的程序执行 ----分工、合作与协同
2.3.3 核心软件系统----操作系统 什么是操作系统?操作系统的作用是什么?
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操作系统是控制和管理计算机系统各种资源(硬件资源、软件资源和信息 资源)、合理组织计算机系统工作流程、提供用户与计算机之间接口以解释 用户对机器的各种操作需求并完成这些操作的一组程序集合，是最基本、最 重要的系统软件。 操作系统的作用： 操作系统是用户与计算机硬件之间的接口。 操作系统为用户提供了虚拟机(Virtual Machine)。 操作系统是计算机系统的资源管理者。
2.3 现代计算机：复杂环境下程序的执行 2.3.1 现代计算机系统的构成
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现代计算机系统的构成
----硬件、软件、数据与网络
2.3.1 现代计算机系统的构成 现代计算机系统包括了什么?
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现代计算机系统由硬件、软件、数据和网络构成
各种电路板
输出 设备
CPU
主 机 箱
输入 输出 设备
内 存
操作系统 用户 计算机 硬件
操作系统是如何实现复杂性控制的?
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操作系统是一组“管理各种资源以便执行应用程序”的程序 操作系统本身的程序是如此做出来的： (1)分工。独立管理复杂环境中的每个部件。
CPU管理---调度CPU 去执行哪一个程序
CPU
ALU 寄存器
内存管理---管理内存 空间的分配与回收
程序
用户请求 执行程序
调用“处理机管理” 执行相应作业 调用“程序装载“执行相应作业 调用“内存管理” 执行相应作业 调用“进程管理” 执行相应作业
状态 控 与管
进程1
000001段内存
进程
任务与作业管理
内存回收
什么是任务-作业和进程?
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几个需要区分的---被定义为不同的名字-概念
任务：大粒度的工作，一个应用程序的完整的执行。一个任务由多个进程 来完成 作业：小粒度的工作，不同的作业由不同的进程来完成
文件内容及磁盘扇区存储示例
文件目录(文件夹)及文件名 (操作系统管理)
磁盘扇区的存储内容：以十 六进制显示每一字节的0/1 信息(专用软件进行读取)。
文件内容：以文本文件阅读 器打开并显示的文本文件的 内容，每一字节按ASCII码 解读(“记事本”打开)。
磁盘上的几个重要区域分别是什么?
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第4讲 现代计算机： 复杂环境下程序执行
理解“复杂环境下程序是如何被执行的” ---有助于理解资源受约束条件下问题解决方案的构造
---有助于建立问题求解的大思维
---有助于理解并建立各学科具体问题求解的计算环境，实现跨 学科的共同创新
内容提要
基本目标:
2/50 理解现代计算机系统的工作思维
基本思维：存储体系磁盘存取操作系统作业与进程程序执行的管理与控制； 资源组合利用体系化、管理分工合作协同化、外存程序内存进程化、硬件不足功能软件化
程序
用户请求 执行程序
调用“处理机管理” 执行相应作业 调用“程序装载“执行相应作业 调用“内存管理” 执行相应作业 调用“进程管理” 执行相应作业
状态 控 与管
进程1
作业
000001段内存
进程
任务与作业管理
内存回收
操作系统进程和应用程序进程是一种什么关系?
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几个需要区分的---被定义为不同的名字-概念
程序(文件)---存储在磁盘上的程序文件 进程—装入内存中的程序
运算器
分工：操作系统对CPU的管 理与控制---执行哪一个进程 等待
与 状态
管控
控制器
CPU 内存储器
合作：操作系统对任务、作 业和进程的管理与控制
就绪
运行
状态 与
进程1的状态控制
管控
装载
分工：操作系统对内存的管 理与控制---使用哪一段内存 内存空间管理 内存空间分配 内存与外存信息的自动交换
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磁盘管理：化整为零和还零为整 ----文件-文件夹/目录-文件分配表-磁盘簇块/扇区
文件A
用户
信息/程序
操作系统
外存 (硬盘/ 软盘/ 光盘)
文件A 文件B 文件C
磁盘管理的几个重要概念是什么?
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磁盘管理的重要概念
文件(文件名与文件内容)
磁盘扇区、磁盘块
文件夹(目录) 文件分配表
CPU 内存储器
合作：操作系统对任务、作 业和进程的管理与控制
就绪
运行
操作系统 的进程
状态 与
进程1的状态控制
管控
装载
与 状态 管控
调用“处理机管理” 执行相应作业 调用“程序装载“执行相应作业 调用“内存管理” 执行相应作业 调用“进程管理” 执行相应作业 用户请求 执行程序
分工：操作系统对内存的管 理与控制---使用哪一段内存 内存空间管理 内存空间分配 内存与外存信息的自动交换 内存回收
磁盘的重要区域
NTFS系统的主文件表MFT, 即文件分配表
磁盘的四个主要区域
• 保留扇区
• 文件分配表区域 • 根目录区域
• 数据区域
??请用相应软件查询一 张磁盘的保留扇区、文 件分配表扇区和根目录 扇区？并依据相关信息 依次读取一个文件的相 关扇区内容并解析！
磁盘上的区域受到病毒攻击后会产生什么后果?
在外存上的程序”,各部件合作完成该任务。
(3)协同。当基本解决后，关键就是协同，“合作”和“同步” , “自动 化”及 “最优化”。 任务、作业与进程管 理---管理一个程序执 行中的各项工作
如何调度CPU 执行该程序? CPU
ALU 寄存器
如何将程序装 载到内存?装 载到哪里?
内存RAM
如何找到存储 在外存上面的 程序?
ROM 内存RAM
磁盘管理---管理 磁盘信息的读写
磁盘
CU
按存储 访问
字寻址
按存储 访问
块寻址
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操作系统是一组“管理各种资源以便执行应用程序”的程序
操作系统本身的程序是如此做出来的：
(1)分工。独立管理复杂环境中的每个部件。 (2)合作。以任务为驱动，中心任务就是“让计算机或者说CPU执行存储
内存被分成不同的块(或 页)，一般而言，内存的 一页和磁盘的一块相等 或为其倍数。
26/50 内存管理
内存空间管理 内存空间分配
运算器 控制器
CPU 内存储器
内存与外存信息的自动交换
内存空间回收
分工：操作系统对内存的管 理与控制---使用哪一段内存
内存空间管理 内存空间分配 内存与外存信息的自动交换
讲了什么?
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磁盘与文件管理
程序如何被CPU执行? CPU执行哪个程序? 程序如何装载到内存 中?装载到哪里?
CPU
寄存器 算术逻 辑单元 控制 单元
按
ROM 内存或主存(RAM)
外存(硬盘/软盘/光盘)
存储单元读写
按存储
块进行交换
内存管理管什么?
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内存管理
Dm-1, „, D0
存储单元个数：2n 由An-1,„,A1,A0等n位二 进制数编码每一个地址
运算器
分工：操作系统对CPU的管 理与控制---执行哪一个进程 等待
与 状态
管控
控制器
CPU 内存储器
合作：操作系统对任务、作 业和进程的管理与控制
就绪
运行
状态 与
进程1的状态控制
管控
装载
分工：操作系统对内存的管 理与控制---使用哪一段内存 内存空间管理 内存空间分配 内存与外存信息的自动交换
进程1
任务与作业管理
应用程序 000001段内存 的进程
应用程序的执行过程及其管理?
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ROM
磁盘
CU
按存储 访问
字寻址
按存储 访问
块寻址
现代计算机：复杂环境下程序的执行 2.3.4 操作系统对资源的分工管理
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操作系统对资源的分工管理
----磁盘管理：化整为零与还零为整 ----内存管理 ----CPU管理/处理机管理
2.3.4
操作系统对资源的分工管理 操作系统是如何管理磁盘的?
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操作系统对资源的合作与协同管理
----程序 vs. 进程 ----任务 vs. 作业 vs. 进程 ----操作系统进程 vs. 应用程序进程 ----协同完成应用程序的执行
2.3.5 操作系统对资源的合作与协同管理 什么是程序和进程?