計算機系統基礎

一、計算機系統組成

（一）計算機系統層次結構

1. 硬件組成
   • 主機：包含CPU（運算器+控制器）、主存儲器（內存）。
   • 外設：輸入設備、輸出設備、輔助存儲器（外存，如硬盤、U盤）、總線、接口。
2. 軟件分類
   • 系統軟件：操作系統、編譯工具等，是硬件與應用軟件的接口。
   • 應用軟件：辦公軟件、娛樂軟件、信息系統軟件等，直接面向用戶需求。

（二）指令系統與存儲體系

1. 指令系統對比

   類型	CISC（復雜指令系統）	RISC（精簡指令系統）
   指令數量	多，使用頻率差異大	少，使用頻率接近
   格式	可變長格式	定長格式，單周期指令為主
   尋址方式	支持多種	支持方式少
   實現方式	微程序控制	硬布線邏輯控制，增加通用寄存器
   代表	Intel/AMD的x86 CPU	ARM、Power架構

2. 分級存儲體系
   • 層次結構（速度從快到慢）：CPU寄存器→Cache（相聯存儲器）→內存（DRAM）→外存（硬盤、光盤等）。
   • 局部性原理
     • 時間局部性：已執行的指令可能再次執行（如循環操作）。
     • 空間局部性：訪問某存儲單元后，附近單元可能被訪問（如順序執行）。
   • 目的：解決存儲容量、價格和速度的矛盾。

（三）I/O傳輸方式

1. 程序控制（查詢）方式
   • 分類：無條件傳送、程序查詢。
   • 特點：硬件開銷小，I/O能力低，CPU利用率低。
2. 程序中斷方式
   • 特點：CPU無需等待I/O完成，支持CPU與I/O并行。
3. DMA方式
   • 功能：主存與外設直接數據通路，高速批量數據交換，效率高于前兩種方式。
4. 通道方式/I/O處理機：進一步提升I/O效率，實現更復雜的I/O控制。

二、操作系統核心知識

（一）操作系統概述

1. 功能
   • 管理硬件、軟件、數據資源。
   • 控制程序運行，提供人機接口和應用與硬件接口。
2. 分類及特點

   類型	特點	典型系統
   批處理	單道/多道批處理，宏觀并行、微觀串行	早期大型機系統
   分時	時間片輪轉，用戶獨占感，多路性、交互性、及時性	Unix、Linux終端
   實時	規定時間內響應，可靠性高（如控制系統）	航空航天控制
   網絡	共享網絡資源，支持Unix、Linux、Windows Server	企業服務器系統
   分布式	透明性、可靠性，網絡操作系統的高級形式	分布式計算集群
   嵌入式	微型化、實時性、可定制（依賴HAL/BSP）	智能設備（如路由器）

（二）進程管理

1. 進程與線程
   • 進程：程序在數據集合上的運行過程，資源分配和調度的獨立單位，由程序塊、PCB、數據塊組成。
   • PCB（進程控制塊）：進程存在的唯一標志，包含狀態、優先級、現場保護區等。
   • 線程：進程內的輕量級執行單元，共享進程的內存地址空間、代碼、數據，獨立擁有程序計數器、寄存器、棧。
2. 進程狀態
   • 三態模型
     • 運行：占用CPU（單處理機同一時刻僅1個進程運行）。
     • 就緒：等待CPU，其他資源已就緒。
     • 阻塞：等待I/O等事件，無法執行。
3. 同步與互斥
   • 臨界資源：需互斥訪問的資源（如打印機），訪問臨界資源的代碼為臨界區。
   • PV操作
     • 信號量S：表示資源數量（S>0為可用數，S<0為排隊進程數）。
     • P操作：申請資源，S-1，若S<0則阻塞。
     • V操作：釋放資源，S+1，若S≤0則喚醒隊列進程。
4. 前趨圖
   • 定義：有向無環圖，箭頭表示前趨關系（Pi完成→Pj開始）。
   • 應用：通過信號量實現進程同步，每個箭頭對應一個初值為0的信號量。
5. 死鎖
   • 四大條件：互斥、保持和等待、不剝奪、環路等待。
   • 避免方法：銀行家算法，確保分配后系統仍處于安全狀態（存在安全序列）。

（三）存儲管理

1. 頁式存儲
   • 核心：程序與內存劃分為等長頁，通過頁表映射邏輯地址（頁號+頁內地址）到物理地址（頁幀號+頁內地址）。
   • 優缺點
     • 優點：碎片小，分配簡單。
     • 缺點：頁表開銷，可能引發抖動（頻繁換頁）。
   • 頁表項：狀態位（是否在內存）、訪問位、修改位。
2. 段式存儲
   • 核心：按自然段劃分邏輯空間，段長可變，通過段表（基址+段長）檢查地址合法性。
   • 優缺點
     • 優點：支持程序模塊化，段間修改互不影響。
     • 缺點：內存碎片大，利用率低。
3. 段頁式存儲
   • 核心：先分段再分頁，結合段式邏輯清晰和頁式內存利用率高的優點。
   • 地址轉換：段號→段表→頁表基址→頁號→頁表→頁幀號→物理地址。

（四）文件系統

1. 索引文件結構
   • 直接索引：iaddr[0]~iaddr[5]直接指向數據塊。
   • 一級間接索引：iaddr[6]指向索引塊，索引塊包含數據塊地址。
   • 二級間接索引：iaddr[7]指向二級索引塊，支持大文件存儲。
2. 位示圖
   • 功能：記錄磁盤塊使用情況，1表示已占用，0表示空閑。
   • 計算：根據物理塊號計算位示圖的行號和列號，實現快速分配/回收。

（五）磁盤管理

1. 存取時間計算
   • 尋道時間：磁頭移動到目標磁道的時間。
   • 等待時間：目標扇區旋轉到磁頭下方的時間。
   • 傳輸時間：數據讀寫時間，總時間=尋道時間+等待時間+傳輸時間。
2. 調度算法
   • FCFS（先來先服務）：按請求順序處理，平均尋道長度較大。
   • SSTF（最短尋道時間優先）：優先處理距離當前磁道最近的請求，可能導致“饑餓”。
   • SCAN（掃描算法）：磁頭雙向移動，在邊緣改變方向，減少尋道次數。

三、系統性能

（一）性能指標

1. 硬件指標
   • 主頻：CPU時鐘頻率（主頻=外頻×倍頻），影響運算速度。
   • MIPS：百萬條指令每秒，衡量整數運算速度（MIPS=主頻/CPI）。
   • MFLOPS：每秒百萬次浮點運算，衡量浮點性能。
2. 軟件指標
   • 吞吐量：單位時間處理的任務數。
   • 響應時間：從請求到完成的時間，衡量交互性能。

（二）性能設計與優化

1. 加速比（阿姆達爾定律）
   • 公式：(R = \frac{1}{(1-F_e) + F_e/S_e})，其中(F_e)為可改進部分占比，(S_e)為改進后的速度提升倍數。
   • 意義：系統性能提升取決于瓶頸組件的改進比例和效率。

（三）性能評估方法

1. 基準程序法
   • 分類：真實程序（精度最高）>核心程序>小型基準程序>合成基準程序。
   • 常見測試程序：Dhrystone（整數性能）、Linpack（浮點性能）、SPEC（綜合性能）。
2. Web服務器指標：最大并發連接數、響應延遲、吞吐量，通過壓力測試和可靠性測試評估。

四、典型例題分析

（一）進程管理

• 例：2臺打印機，3個進程互斥使用，信號量S初值為2，取值范圍[-1,2]（S=2→可用，S=-1→1個進程排隊）。

（二）存儲管理

• 頁式地址轉換：邏輯地址=頁號+頁內地址，通過頁表查頁幀號，拼接得到物理地址。例如，頁大小4KB（12位），邏輯地址高8位為頁號，低12位為頁內地址。

（三）死鎖預防

• 資源數計算：3個進程各需5個資源，至少需要(3×(5-1)+1=13)個資源才無死鎖（每個進程分配4個，剩余1個可避免環路）。

五、考情分析與復習重點

知識點	分值分布（示例）	核心考點
進程管理	2-4分	前趨圖、PV操作、死鎖條件、銀行家算法
存儲管理	1-3分	頁式/段頁式地址轉換、頁面淘汰算法
系統性能	2-3分	加速比計算、基準程序分類

復習建議：結合習題掌握PV操作與前趨圖的映射關系，熟練頁式存儲地址轉換步驟，理解銀行家算法的安全序列判斷邏輯，通過典型例題強化計算能力。