计算机二级 Python备考笔记

计算机系统知识

计算机基本结构的设计采用冯.诺依曼提出的思想和原理，人们把符合这种设计的计算机称为冯.诺依曼机，其工作原理是结构存储程序控制。"存储程序”思想是冯 诺依曼等人在1946年6月首先提出来的，它可以简要地概括为以下几点：

 计算机(指硬件)由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大基本部件组成；

 计算机内部用二进制来表示指令和数据；

 需将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后再启动计算机工作。

一个完整的计算机系统应包括硬件系统和软件系两大部分。

 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基本部件组成；

 软件系统又分为系统软件和应用软件。

计算机的功能不仅取决于硬件系統，而且在更大程度上是由所安装的软件系统所决定的。

计算机中中央处理器 （CPU) 和主存储器（内存储器）构成主机。除了主机以外，围绕主机设置的各种硬件装置称为外部设备。外部设备的种类很多，应用比较广泛的有输入/输出设备、外部存储器(辅助存储器）和终端设备。

外存储器的容量一般都比较大，而且大部分可以移动，便于在不同计算机之间进行信息交流。外存储器中数据被读入内存储器后，才能被CPU读取，CPU不能直接访问外存储器。要使用外存储器中的信息，应先将其调入内存储器。

存储器有3个重要的指标：速度、容量和每位 (bit)价格。一般来说，速度越快，位价格越高；容量越大，位价格越低：容量越大，速度越低。计算机存储器的速度比较：寄存器>缓存>主存>磁盘>磁带。

根据符号位和数值位的编码方法不同，机器数有原码、补码和反码3种表示。整数在计算机中存储和运算通常采用的格式是补码。

带符号的定点数中，正数的原码、反码、补码均相同；

负数的反码是对该数的原码除符号位外各位取反，补码是在该数的反码的最后（即最右边）一位上加1；

不管是正数还是负数，其补码的符号位取反即是偏移码。

🟡I/O方式包括程序查询、程序中断、直接存储器存取(DMA）和通道控制等。

* 通道控制方式：可以做到一个通道控制多台设备与内存进行数据交换，因而，通道方式进一步减轻了CPU的工作负担，增加了计算机系统的并行工作程度。

* 程序查询方式：当CPU需要执行I/O操作时，程序将主动查询I/O设备是否准备好。如果准备好，CPU执行I/O操作；否则CPU会一直查询并等待设备准备好后执行I/O操作，这就会使CPU大部分时间处于等待状态，系统效率不高。

* 程序中断方式：计算机在执行程序的过程中，当出现异常情况或特殊情况时，CPU停止当前程序的运行，转而执行对这些异常情况或特殊情况进行处理的程序（称为中断服务处理程序），处理结束之后再返回到现行程序的断点出继续运行，该过程就是中断。

🟡操作系统

 在操作系统中，将文件名转换为文件存储地址的结构是文件目录。

* 分类：

    * 分时操作系统：允许多个联机用户同时使用一台计算机系统进行计算的操作系统。分时系统把中央处理器的时间划分成时间片，轮流分配给每个联机终端用户，每个用户只能在极短时间内执行，若程序未执行完，则等待分到下次时间片时再执行。这样，系统的每个用户的每次要求都能得到快速响应，且用户感觉好像自己独占计算机。

    * 实时操作系统：指当外界事件或数据产生时，系统能够接收并以足够快的速度予以处理和响应，能够控制所有任务协调一致运行。

        - 目前有3种典型的实时系统：

   过程控制系统（如工业生产自动控制、航空器飞行控制和航天器发射控制）、

   信息查询系统(如仓库管理系统、图书资料查询系统）

   事务处理系统（如飞机或铁路订票系统、银行管理系统）。过程控制系统属于实时系统。

    * 分布式操作系统：

    * 嵌入式操作系统：

* 功能和任务：处理机管理（进程管理）、存储管理、设备管理、文件管理、用户接口。

CPU主要包括运算器和控制器两部分。

 运算器负责对数据进行加工处理，也就是对数据进行算术运算和逻辑运算；

 控制器负责对程序所规定的指令进行分析，控制并协调输入、输出操作或对内存的访问。

一般把计算机完成一条指令所花费的时间称为一个指令周期。指令周期越短，指令执行就越快。

地址重定位建立用户程序的逻辑地址与物理地址之间的对应关系，实现方式包括静态地址重定位和动态地址重定位。

* 静态地址重定位是在程序执行之前由操作系统的重定位装入程序完成，程序必须占用连续的内存空间，且一旦装入内存后，程序不便于移动。

* 动态地址重定位在程序执行期间进行，由专门的硬件机构来完成，通常采用一个重定位寄存器，在每次进行存储访问时，将取出的逻辑地址加上重定位寄存器的内容形成物理地址。不需要占用连续的内存空间

🔸动态地址重定位的优点是不要求程序装入固定的内存空间，在内存中允许程序再次移动位置，而且可以部分地装入程序运行，同时也便于多个作业共享同一程序的副本。

计算机工作的过程/本质就是取指令、分析指令、执行指令3个基本动作的重复。

考虑到所有的器件中存储器的速度很慢，CPU访问一次内存所花的时问较长，因此，通常用内存中读取一个指令字的最短时问来规定CPU周期，也称为机器周期。

机器周期的同步标准是CPU访问存储器一次所需要的时间。

 由于指令执行时取指令必须访问存储器，所以占用一个机器周期。

 分析指令是由指令译码电路完成的，所占用的时间极短，无须分配个完整的机器周期，一般是在取指周期后期（取指结束之前的很短时间内）就可以完成。

 指令的执行和指令中的操作数有关，比较复杂：可能不访问存储器（无操作数）；访问一次存储器（单地址直接寻址等）；访问两次或多次存储器等。因此，指令执行可能会是一个机器周期到几个机器周期。

总线带宽可理解为总线的数据传输率，即单位时间内总线上传输数据的位数，通常用每秒传输信息的字节数来衡量，单位可用MBps(兆宇节每秒)表示。

总线是连接计算机中各个部件的信息传输线，是各个部件共享的传输介质。其性能指标包括总线宽度（数据总线的根数）、总线带宽（数据传输率）及时钟同步/异步等。

总线按功能层次可以分为片内总线（内部总线）、系统总线和通信总线3类。

片内总线是指芯片内部的总线，如在CPU芯片内部寄存器与寄存器之间、寄存器与逻辑单元ALU之间都由片内总线连接。//芯片内连接各元件的总线是内部总线。

在执行指令过程中，CPU不经过总线就能直接访问的是寄存器。

计算机中，CPU通过总线与内存、外设等连接。

🫧进程：是指一个具有一定独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动。简单地说，进程是可以并发执行的程序的执行过程，它是控制程序管理下的基本的多道程序单位。//进程是程序执行过程。

 进程是可以并发执行的程序的执行过程，它具有动态性、共享性、独立性、制约性和并发性5种属性。

 进程借助创建原语实现创建一个新进程。系统在创建一个进程时需要调用创建进程原语。

 进程调度就是按一定策略动态地把CPU分配给处于就绪队列中的某一进程并使之执行的过程。进程调度亦可称为处理器调度或低级调度，相应的进程调度程序可称为分配程序或低级调度程序。因此，进程调度仅负责对CPU进行分配。

进程控制块 （PCB） 是由系统为每个进程分别建立的，用以记录对应进程的程序和数据的存储情况，记录进程的动态信息。系统根据PCB而感知进程的存在，根据PCB中的信息对进程实施控制管理。当进程结束时，系统即收回它的PCB，进程也随之消亡。因此可以说，PCB是一个进程存在的唯一标志。

🫧一般来说，一个进程的活动情况至少可以划分为运行状态、就绪状态、阻塞（等待）状态、创建状态和终止状态5种。其中，就绪、运行和阻塞3种基本状态之间在一定条件下是可以相互转化的。

进程在就绪状态下（已获得除CPU以外的所有所需运行资源），一旦分配到CPU，就转化为运行状态。

一个进程正在等待某一事件（如等待输入输出操作的完成、等待某系统资源、等待其他进程来的信息等）的发生而暂时停止执行。在这种状态下，即使把CPU分配给它，该进程也不能运行，即处于等待状态，又称为阻塞状态或封锁状态。

处于等待（阻塞）状态的进程，如果它等待的事件已经发生，即条件得到满足，就转为就绪状态。

进程创建完成后会进入就绪状态，处于就绪状态的进程可以有多个。

处于运行状态的进程，分配给它的时间片用完，就让出CPU而转为就绪状态；

处于就绪状态的进程，一旦分配到CPU，就转化为运行状态。

 一个正在运行的进程由于所申请的资源得不到满足，进程将从运行状态变迁为等待（阻塞）状态，需要调用阻塞进程原语。

 当一进程在运行状态下结束时，释放进程占有的资源，调用撒销进程原语。

 唤醒进程原语是把进程从等待队列里移出到就绪队列并设置进程为就绪状态。当一个进程在运行过程中释放了系统资源后进入就绪状态，调用唤醒进程原语。

一个进程的活动情况至少可以划分为以下5种基本状态：

 (1)运行状态处于运行状态的进程实际上正占据着CPU。显然，处于这种状态的进程数目不能多于CPU的数目。在单CPU的情况下，处于运行状态的进程只能有一个。

 (2)就绪状态这种状态下的进程已获得除CPU以外的一切所需资源，只是因为缺少CPU而不能运行，一旦获得CPU，已就立即投入运行。

 (3) 等待状态一个进程正在等待某一事件的发生而暂时停止执行。在这种状态下，即使把CPU分配给它，该进程也不能运行，即处于等待状态，又称为阻塞状态或封锁大态。

 (4)创建状态进程正在创建过程中，尚不能执行。

 (5)终止状态进程运行结束。

🫧虚拟存储器：

 使存储系统既具有相当于外存的容量又有接近于主存的访问速度

 实际物理存储空间可以小于虛拟地址空间

 是对主存的逻辑扩展，虛拟存储器的空间大小取决于计算机的访存能力而不是实际外存的大小。

虚拟内存的作用同物理内存一样，只不过是从硬盘存储空间划出的部分，来完成内存的工作，由于不是真正的内存，所以被称为虛拟内存。计算机所支持的最大内存是由该计算机的地址位数决定的，也就是计算机的最大寻址能力。例如，32位机的寻址能力为2的32次方，大约为4G。所以虛拟内存的大小受计算机地址位数的限制。

顺序程序具有顺序性、封闭性和可再现性的特点，使得程序设计者能够控制程序执行的过程(包括执行顺序、执行时间），对程序执行的中间结果和状态可以预先估计，这样就可以方便地进行程序的测试和调试。

顺序程序不具有并发性。并发性是并发程序的特点。

一个计算机系统中有成干上万个文件，为了便于对文件进行存取和管理，计算机系统建立文件的索引，即文件名和文件物理位置之间的映射关系，这种文件的索引称为文件目录。在操作系统中，将文件名转换为文件存储地址的结构是文件目录。

直接寻址中指令的地址码部分给出的是操作数的真正地址。

间接寻址是相当于直接寻址而言的，指令的地址码给出的不是操作数的真正地址，而是操作数有效地址所在的存储单元的地址，也就是操作数地址的地址。

立即寻址

隐含寻址

计算机内部采用二进制来表示指令和数据。

连续存储管理也称为界地址存储管理，基本特点是内存空间被划分成一个个分区，一个作业占一个分区，即系统和用户作业都以分区为单位享用内存。在分区分配方式中，分区的大小可以是固定的（称为固定分区），也可以是可变的（称为可变分区或动态分区）。常用的连续存储管理技术有固定分区管理和可变分区管理。

操作系统的功能和任务主要有处理机管理（进程管理）、存储管理、设备管理、文件管理和用户接口。

文件是指一组带标识（标识即为文件名）的具有完整逻辑意义的相关信息的集合。文件属性包括文件类型、文件名称、文件长度、文件的物理地址、文件的建立时间等。不包括文件内容。

多道程序设计技术是指允许多个程序同时进入内存并运行。即同时把多个程序放入内存，并允许它们交替在CPU中运行，多个程序可共享系统中的各种硬、软件资源。当一个程序因I/O请求而暂停运行时，CPU便立即转去运行另一个程序。程序和计算机执行程序的活动不再一一对应。多个程序并发执行是多道程序系统的特点。多道程序环境下，单CPU的计算机允许多个进程并发执行。

缓冲技术是为了协调吞吐速度相差很大的设备之间数据传送而采用的技术。//计算机中的缓冲技术用于提高主机和设备交换信息的速度。

为了缓和CPU和I/O设备速度不匹配的矛盾，提高CPU和I/O设备的并行性，在现代操作系统中，几乎所有的1/0设备在与处理器交换数据时都用了缓冲区，并提供获得和释放缓冲区的手段。

"存储程序”思想是冯 诺依曼等人在1946年6月首先提出来的，它可以简要地概括为以下几点：

 计算机(指硬件)由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大基本部件组成 

 算机内部用二进制来表示指令和数据

 需将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后再启动计算机工作。