大學計算機基礎知識要點
信息產業是信息社會的支柱，主要包括：計算機硬件制造業、計算機軟件業、信息服務業以及國民經濟中傳統行業的信息化。以下內容是小編為您精心整理的大學計算機基礎知識要點，歡迎參考！
大學計算機基礎知識要點
第一章 計算機及信息技術概述（了解）
1、計算機發展歷史上的重要人物和思想
1、 法國物理學家帕斯卡(1623-1662)：在 1642年發明了第一臺機械式加法機。該機由齒輪組成，靠發條驅動，用專用的鐵筆來撥動轉輪以輸入數字。
2、 德國數學家萊布尼茨：在1673年發明了機械式乘除法器。基本原理繼承于帕斯卡的加法機，也是由一系列齒輪組成，但它能夠連續重復地做加減法，從而實現了乘除運算。
3、英國數學家巴貝奇：1822年，在歷經10年努力終于發明了“差分機”。它有3個齒輪式寄存器，可以保存3個5位數字，計算精度可以達到6位小數。 巴貝奇是現代計算機設計思想的奠基人。
英國科學家阿蘭?圖靈(理論計算機的奠基人)
圖靈機：這個在當時看來是紙上談兵的簡單機器，隱含了現代計算機中“存儲程序”的基本思想。半個世紀以來，數學家們提出的各種各樣的計算模型都被證明是和圖靈機等價的。
美籍匈牙利數學家馮諾依曼(計算機鼻祖)
計算機應由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五大部件組成；應采用二進制簡化機器的電路設計；采用“存儲程序”技術,以便計算機能保存和自動依次執行指令。
七十多年來，現代計算機基本結構仍然是“馮·諾依曼計算機”。
2、電子計算機的發展歷程
1、 1946年2月由賓夕法尼亞大學研制成功的ENIAC是世界上第一臺電子數字計算機。“誕生了一個電子的大腦”致命缺陷：沒有存儲程序。
2、 電子技術的發展促進了電子計算機的更新換代：電子管、晶體管、集成電路、大規模及超大規模集成電路
3、計算機的類型
按計算機用途分類：通用計算機和專用計算機
按計算機規模分類：巨型機、大型機、小型機、微型機、工作站、服務器、嵌入式計算機
按計算機處理的數據分類：數字計算機、模擬計算機、數字模擬混合計算機
1.1.4 計算機的特點及應用領域
計算機是一種能按照事先存儲的程序，自動、高速地進行大量數值計算和各種信息處理的現代化智能電子設備。（含義）
1、運算速度快
2、計算精度高
3、存儲容量大
4、具有邏輯判斷能力
5、按照程序自動運行
應用領域：科學計算、數據處理、過程與實時控制、人工智能、計算機輔助設計與制造、遠程通訊與網絡應用、多媒體與虛擬現實
1.1.5 計算機發展趨勢：巨型化、微型化、網絡化、智能化
1、光計算機 2、生物計算機 3、量子計算機
1.2 計算機系統構成
· 一個完整的計算機系統有硬件系統和軟件系統兩大部分組成
· 硬件系統是指能夠收集、加工、處理數據以及輸出數據所需的設備實體，是看得見、摸得著的部件總和。
· 軟件系統是指為了充分發揮硬件系統性能和方便人們使用硬件系統，以及解決各類應用問題而設計的程序、數據、文檔總和，它們在計算機中體現為一些觸摸不到的二進制狀態，存儲在內存、磁盤、閃存盤、光盤等硬件設備上。
1.3.1 信息技術概念
信息是一種知識，是接受者事先不知道不了解的知識。
數據是信息的載體。數值、文字、語言、圖形、圖像等都是不同形式的數據。 4次信息革命：文字、造紙和印刷術、電報電話廣播電視、計算機與網絡 現代信息技術：計算機技術＋微電子技術＋通信技術
1.3.1 信息技術產業與人才
信息產業是信息社會的支柱，主要包括：計算機硬件制造業、計算機軟件業、信息服務業以及國民經濟中傳統行業的信息化
信息產業屬資本密集型、知識密集型、人才密集型的產業。
信息技術教育包括：
· 對信息科學的理解
· 對信息應用的實踐能力
· 對信息社會的認識和態度
第二章 計算機信息基礎
2.1.1 數制的概念
位權：在數制中，各位數字所表示值的大小不僅與該數字本身的大小有關，還與該數字所在的位置有關，我們稱這關系為數的位權。
位權：一個與數字位置有關的常數，位權=Rn
2.1.3 二進制和其它進制的轉換
十進制轉二進制：整數部分除以2取余，直至商為0；小數部分乘以2取整，直至小數部分為0或達到所需精度為止。
十進制轉八進制：方法同上。整數部分除以8，小數部分乘以8。
十進制轉十六進制：方法同上。整數部分除以16，小數部分乘以16。
2.2 計算機中的數據單位
位(bit)：計算機存儲數據的最小單元(0、1)
字節(Byte)：處理數據的基本單位(8bit/Byte)
常用的字節計數單位：
1KB＝1024 Byte (210B) 1MB＝1024 KB (220B) 1GB＝1024 MB (230B) 1TB＝1024 GB (240B)
字長：CPU一次處理數據的二進制位數。
2.3 信息表示與編碼
所謂編碼，就是利用數字串來標識所處理對象的不同個體。
2.3.1 整數的表示
在數學中，數值是用“＋”和“－”表示正數和負數的，而在計算機中只有0和1，所以正負號也用0和1表示，即數值符號數字化。
補碼的概念是怎么來的？
“模”是指一個系統所能表示的數據個數。按模運算是指運算結果超過模時，模（或模的整數倍）將溢出而只剩下余數。
假設M為模，若數a，b滿足a＋b＝M，則稱a，b互為補數。 在有模運算中，減去一個數等于加上這個數對模的補數。
2.3.2 實數的表示 定點數：小數點位置固定的數稱為定點數。 浮點數：小數點位置不固定的數稱為浮點數
與漢字有關的編碼：
（1）、輸入碼
(2) 國標碼和區位碼：每個漢字占兩個字節的編碼，且每個字節最高位均為0。所有漢字分94個區，每個區94個漢字。由此構成區位碼。而區位碼的區碼和位碼各加32就得到國標碼。
（3）機內碼
（4）字型碼：漢字存儲在計算機內采用機內碼，但輸出時必須轉換成字形碼，再根據字形碼輸出漢字。字形碼又稱漢字字模，用于在顯示器或打印機上輸出各種文字和符號。點陣漢字：每一個漢字以點陣形式存儲，有點的地方為“1”，空白的地方為“0”。有16×16、24×24、48×48點陣等。點陣越大，字形分辨率越好，字形也越美觀，但漢字存儲的字節數就多，字庫也就越龐大。
2.3.6 多媒體信息的數字化
數字化就是對模擬世界的一種量化，表示信息的最小單位是位(bit)——“0”或“1”。多媒體信息在計算機中也要轉換為0和1，因此也需要進行編碼。
第三章 計算機硬件體系結構
3.1 計算機系統的構成
一個完整的計算機系統是由硬件和軟件組成。
硬件是由運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備五部分組成。其中： 中央處理器(簡稱CPU)=運算器+控制器
主機=中央處理器+主存儲器
軟件是指各類程序和數據，計算機軟件包括計算機本身運行所需要的系統軟件和用戶完成任務所需要的應用軟件。
3.1.2 馮·諾依曼型計算機的結構
馮·諾依曼型計算機是將程序和數據事先存放在外存儲器中，在執行時將程序和數據先從外存裝入內存中，然后使計算機在工作時自動地從內存中取出指令并加以執行，這就是存儲程序概念的基本原理。
馮·諾依曼計算機體系結構的主要特點是：
(1) 采用二進制形式表示程序和數據。
(2) 計算機硬件是由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五大部分組
(3) 程序和數據以二進制形式存放在存儲器中。
(4) 控制器根據存放在存儲器中的指令 (程序) 工作。
3.1.3 微型計算機的誕生與發展
微型機屬于第四代電子計算機產品，即大規模及超大規模集成電路計算機。微機的核心部件是CPU
3.2 微型計算機主機結構
微型機基本是由顯示器、鍵盤和主機構成。在主機箱內有CPU、主板、內存、硬盤、光驅、電源等。
3.2.1中央處理器 CPU
CPU：運算器部件、寄存器部件和控制器部件。
CPU從存儲器取出指令，放入CPU內部的指令寄存器，并對指令譯碼。它把指令分解成一系列的微操作，然后發出各種控制命令，執行微操作系列，從而完成一條指令的執行。
CPU的主要性能指標 ：
(1) 主頻/外頻（主頻=外頻×倍頻，即CPU工作頻率）
(2) 數據總線寬度（即字長，指CPU傳輸數據的位數）
(3) 地址總線寬度（決定了CPU可訪問的地址空間）
(4) 工作電壓（低電壓可減少CPU過熱，降低功耗）
(5) 高速緩存Cache（加速CPU與其它設備間數據交換）
(6) 運算速度（CPU每秒能處理的指令數）
1. 運算器
運算器是完成算術和邏輯運算的部件，又稱算術和邏輯運算單元。計算機所完成的全部運算都是在運算器中進行的。運算器的核心部件是:
(1) 運算邏輯部件
(2) 寄存器部件
2. 控制器
控制器負責從存儲器中取出指令，并對指令進行譯碼，并根據指令譯碼的結果，按指令先后順序，負責向其它各部件發出控制信號，保證各部件協調一致地完成各種操作。
控制器主要由以下部件組成：
① 程序計數器。存放下一條將要執行的指令在內存中的地址； ② 指令寄存器。保存現在正在執行的指令；
③ 指令譯碼器。用來識別指令的功能，分析指令的操作要求；
④ 時序部件。產生計算機工作中所需的各種定時控制信號，對各種微操作控制信號進行定時控制。以協調各部件的工作順序；
⑤ 微操作控制電路。一條指令的執行可以分解為一系列不可再分的微操作命令信號，即微命令，以指揮整個計算機有條不紊地工作。
3.2.2 高級CPU技術
1、超線程技術
2、雙核心CPU技術 ：由于組建雙CPU系統的高成本和復雜性，桌面電腦上并未得到普及。用“雙核”技術，就是在單個CPU中真正集成兩個物理運行核心，因此在實際使用中，這種“雙核心處理器”和使用兩個獨立CPU組建的系統在工作原理和性能上基本沒有區別。目前，CPU已從雙核向4核、8核和多核方向發
3.2.3 主板
主板是電腦中各種設備的連接載體。它提供CPU、各種接口卡、內存條和硬盤、軟驅、光驅的插槽，其它的外部設備也會通過主板上的I/O接口連接到計算機上。早期的PC機主板是將快速的CPU、中速的內存、慢速的外設都連接在一條總線上，使系統的總體性能得不到優化。
3.2.4 內存儲器
內存儲器 (簡稱內存)，由半導體材料構成。內存分為只讀存儲器和隨機讀寫存儲器。
1. 只讀存儲器ROM
· 特點：存儲的信息只能讀出，不能隨機改寫或存入，斷電后信息不會丟失，可靠性高。
· ROM分類
(1) 掩膜式 ROM(Mask ROM)
(2) 可編程 PROM(Programmable ROM)
(3) 可擦除 EPROM (Erasable PROM)
(4) 電可擦 EEPROM(Electrically EPROM)
(5) 快擦寫 ROM(Flash ROM)
2. 隨機存儲器RAM
特點：用于存放原始數據、中間結果、最終結果。開機前是空的，斷電后數據消失。
RAM 分類:
(1) SRAM：靜態RAM。不需要充電來保持數據完整性，成本高且集成低，一般做高速緩沖存儲器。
(2) DRAM：動態RAM。需要定時充電來保持數據的完整性，通常所說的“內存”主要由它構成。一般指以下兩種類型：
① SDRAM---同步動態存儲器
② DDR---雙倍速率內存
(DDR2---四倍速率內存DDR3)
3. Cache(高速緩存 )
Cache是一種高速緩沖存儲器，是為了解決CPU與主存之間速度不匹配而采用的一種重要技術。其中片內Cache是集成在CPU芯片中，片外Cache是安插在主板上。高速緩沖存儲器的存取速度比主存要快一個數量級，大體與CPU的處理速度相當。
4.多級緩存
最早的CPU緩存容量很低。當集成在CPU內核中的緩存已不能滿足CPU的需求，而制造工藝上的限制又不能大幅度提高緩存的容量時，出現了集成在與CPU同一塊主板上的緩存，此時把CPU內核集成的緩存稱為一級緩存，而外部的稱為二級緩存。
現在多數CPU內部也有二級緩存，于是二級緩存又可分為內部二級緩存和外部二級緩存。較高端的CPU中還會帶有三級緩存 。
6. 存儲器的層次結構
既要速度快，又要求容量大，同時價格又要求合理，在目前技術條件下這三項指標很難用單一種類的存儲器來實現。折衷的方法是采用層次結構。
3.3 外部存儲器
外部存儲器通常用來存放需要長期保存的各種程序和數據。當需要執行或處理這些程序和數據時，必須將其先調入到內存中然后再被CPU處理， 所以外存實際上屬于輸入／輸出設備。
目前微機常用的外存儲器主要有軟盤、硬盤、光盤、 U盤等。
3.3.2 硬盤
硬盤是微機最重要的外部存儲器，常用于安裝微機運行所需的系統軟件和應用軟件，以及存儲大量數據。
(1) 硬盤存儲格式
硬盤是由多個涂有磁性物質的金屬圓盤盤片組成，盤片的每一面都有一個讀寫磁頭，在對硬盤進行格式化時，將對盤片進行劃分磁道和扇區，對于大容量的硬盤還將多個扇區組織起來成為一個塊——“簇”，簇成為磁盤讀寫的基本單位。有的簇是一個扇區，有的有好幾個扇區，可以在格式化的參數中給定。
(2) 硬盤性能指標
① 硬盤的容量。現在微機上所配置的硬盤一般在200GB以上。 ② 硬盤的轉速。硬盤的轉速越快，硬盤尋找文件的速度也就越快。現在的主流硬盤轉速一般為7200rpm以上。
③ 緩存。硬盤自帶的緩存，緩存越多，越能提高硬盤的訪問速度。
(3) 硬盤接口
硬盤接口分為IDE、SATA、SCSI和光纖通道四種，IDE接口硬盤多用于家用產品中，SATA是種新生的硬盤接口類型。
(4) 硬盤格式化
① 硬盤低級格式化。主要是對一個新硬盤劃分磁道和扇區。 ② 硬盤分區。把硬盤劃分為成若干個相對獨立的邏輯分區 。
③ 硬盤高級格式化。高級格式化主要是對指定的硬盤分區進行初始化，建立文件分配表以便系統按指定格式存儲文件。。
3.3.3 光盤存儲器
光盤簡稱CD(Compact Disc)是利用塑料盤片表面凹凸不平的特征，通過光的反射來記錄和識別二進制的`0、1信息。
光盤的分類:
1．只讀型光盤
只讀光盤中的數據是在制作時寫入的，用戶只能讀數據，而不能寫入或修改光盤中的數據。音頻光盤CD-DA、數據光盤 CD-ROM、 VCD、DVD等都屬于只讀光盤。
2．一次寫入光盤
這種光盤允許一次寫入數據，但不能修改和擦除數據， 如 CD-R。
3．可擦寫光盤
這種光盤可多次寫入或修改數據，如CD-RW。
從光盤中讀取數據的設備我們稱之為光驅。光驅把經過聚焦后的激光投射到光盤上，利用光盤的凹坑或非凹坑邊緣反射的激光強度不同而將其表示為不同的電信號。
光驅倍數是指光盤的數據傳輸率（150KB/s為單倍，以此類推）。CD-ROM光盤驅動器能讀除DVD以外的所有光盤。而DVD光盤要用DVD驅動器才能讀，DVD驅動器兼容CD-ROM所能讀的光盤。
DVD光盤
DVD盤片的物理規格與CD盤片是一樣的，CD盤只使用一個面記錄一層的信息，而DVD盤可分為單面單層、單面雙層、雙面單層以及雙面雙層 4 種結構。
DVD按用途可分為以下幾類：
應用最廣的是DVD-Video 格式，用于存儲影音信息。此外還有DVD-ROM(只讀DVD)、 DVD-Audio(音頻DVD)、 DVD±R(可寫DVD)、 DVD-RAM或DVD±RW (可擦寫DVD)。
另外，還有藍光高清DVD光盤。
光盤刻錄機
是指可讀寫的光盤驅動器。包括CD和DVD兩種刻錄機。
① CD刻錄機既有CD-ROM光驅的功能，也能夠向刻錄CD光盤。其傳輸速率一般標注為 A/B/C 的形式（如 20/10/40），其中A表示寫CD-R盤的倍速，B表示寫CD-RW盤的倍速，C表示讀盤的倍速。
② DVD刻錄機既具有DVD-ROM光驅的功能，也能夠刻錄DVD光盤和CD光盤。
3.3.4 USB盤
通過USB接口與電腦連接，實現即插即用，具有小巧、可靠、易于操作等特點。閃存盤中無任何機械式裝置，抗震性能強。U盤中的存儲模塊其實就是Flash-ROM。
移動硬盤一般由筆記本硬盤和硬盤盒組成。
3.4.1 輸入設備
(1) 鍵盤
(2) 鼠標
(3) 掃描儀
3.4.2 輸出設備
(1) 顯示器
(2) 打印機
(1) 顯示器
CRT顯示器在工作時，電子槍發出電子束轟擊熒光粉層上的某一點，使該點發光，每個像素有紅、綠、藍三基色組成，通過對三基色的強度的控制就能合成各種不同顏色。
液晶顯示器LCD的優點在于：
① 圖像穩定。由于只有在畫面內容發生變化時才需要刷新，因此沒有閃爍感；
② 液晶底板整體發光，真正的完全平面；
③ LCD顯示器基本上沒有輻射；
④ 能耗低。約為CRT顯示器的三分之一。
(2) 打印機
常用的有針式打印機、噴墨打印機和激光打印機等。
① 針式打印機特點。利用鋼針擊打色帶把色帶上的墨打印在紙上形成文本或圖形。缺點是打印質量差、速度慢、噪聲大；優點是可以打多聯紙，耗材相對較便宜。
② 噴墨打印機特點。打印頭上有若干個噴頭，打印時，墨水以每秒近
萬次的頻率噴射到紙上。與其它兩類打印機相比，在打印質量、速度、噪聲及成本方面處于中等層次。
③ 激光打印機特點。利用激光可以形成很細的光點，將碳粉固著在紙上，加熱后碳粉固定在紙上，最后印出文字和圖片。優點是打印速度快、噪音低、質量好，缺點是價格及打印成本較高。
對三種打印機的打印效果對比來說，激光最好，噴墨其次，而針式相對較差。
3.4.3 其他外部設備
(1) 多媒體設備（第七章）
(2) 調制解調器
3.5.1 計算機指令系統
指令：是指計算機執行特定操作的命令。是程序設計的最小語言單位。
指令系統：是指一臺計算機所能執行的全部指令的集合。不同型號的計算機有不同的指令系統。它反映了計算機的處理能力。
可分為以下四個步驟：
開始執行程序時，先給程序計數器PC賦以第一條指令的首地址0100H。 ①取指令 按照計數器中的地址從內存中取出指令(070270H)，并送往指令寄存器。然后計數器PC自動加1指向下一指令地址。
②分析指令 對指令寄存器中存放的指令(070270H)進行分析，由譯碼器對操作碼 (07H)進行譯碼，由地址碼(0270H)確定操作數地址。
③執行指令 取出操作數，去完成該指令所要求的操作。例如做加法指令，取內存單元(0270H)的值和累加器的值相加，結果還是放在累加器。 ④一條指令執行完成，再回到①取指令階段開始下一指令的執行。
3.5.3 計算機硬件系統的性能指標
(1) CPU的主頻。主頻越高，單位時間內完成的指令數也越多，CPU工作的速度也就越快。
(2) 字長。字長越長，計算機一次所能處理信息的位數就越多，表現為計算機的運算速度越快。
(3) 運算速度。它是一項綜合性的性能指標。是指計算機每秒鐘執行的指令數，單位是MIPS，即每秒百萬條指令。
(4) 內存容量。內存容量越大，一次讀入的程序、數據就越多，計算機的運行速度也就越快。
(5) 內存存取速度。內存連續啟動兩次獨立的“讀”或“寫”操作所需的最短時間，稱為存取周期。
(6) I/O速度。I/O的速度是指CPU與外部設備進行數據交換的速度。目前系統性能的瓶頸越來越多地體現在I/O速度上。
第四章 計算機操作系統
操作系統是配置在計算機硬件上的第一層軟件，是控制計算機所有操作的軟件。
4.1.1 操作系統的概念
操作系統：是管理計算機軟硬件資源的程序，同時它又是用戶與計算機硬件的接口。
4.1.2 操作系統的構成
進程管理、內存管理、文件管理、輸入/輸出系統管理、二級存儲管理、聯網、保護系統、命令解釋程序
4.2.1 操作系統的類別
經過多年的發展，操作系統多種多樣。為提高大型計算機系統的資源利用率，操作系統從批處理，多道程序發展為分時操作系統。為了滿足計算機處理實時事件的需要，就有實時操作系統。為適應個人計算機系統的需要又出現了桌面操作系統。為適應并行系統的需要，就有了多處理器操作系統。為滿足網絡和分布計算的需要，就有了網絡操作系統和分布式操作系統。此外，還有為支持嵌入式計算機的嵌入式操作系統。
4.2.2 計算環境
從計算機誕生至今，操作系統總是與具體的計算環境相聯系，它總是在某種計算環境中設置和使用，就目前來看計算環境可分為以下幾類：
1. 傳統計算環境
指普通意義下的獨立或聯網工作的通用計算機所形成的計算環境。
2.基于Web的計算環境
互聯網的普及使得計算被延伸到Web環境。
3.嵌入式計算環境
嵌入式計算機就是安裝在某些設備上的計算部件，其計算相對比較簡單。
4.3.1 進程的概念
什么是進程？它與程序有什么區別？
程序：用戶為完成某一個特定問題而編寫的操作步驟。
進程：可以簡單地被看作是正在執行的程序。但是進程需要一定的資源來完成它的任務(例如CPU時間、內存、文件和I/O設備) 。
進程與程序的區別在于進程是動態的、有生命力的，而程序是靜態的。一個程序加載到內存，系統就創建一個進程，程序執行結束后，該進程也就消亡了。 在計算機中，由于多個程序共享系統資源，就必然引發對CPU的爭奪。如何有效地利用CPU資源，如何在多個請求CPU的進程中選擇取舍，這就是進程管理要解決的問題。
4.3.3 進程控制塊PCB(略)
為了控制進程，操作系統就必須知道進程存儲在哪里，以及進程的一些屬性。 進程控制塊是進程實體的一部分，是操作系統中記錄進程的專用數據結構。一個新的進程創建時，操作系統就會為該進程建立一個進程控制塊。操作系統根據進程控制塊對并發進程進行控制。
4.3.4 進程調度及隊列圖
計算機采用多道程序的目的是使得計算機系統無論何時都有進程運行，單處理器的計算機在某一時刻CPU只能運行一個進程，如果存在多個進程，其它進程就需要等待CPU空閑時才能被調度執行。
當一個進程處于等待或CPU時間片用完時，操作系統就會從該進程中拿走CPU控制權，然后再交給其它進程使用，這就是進程的調度。
4.3.5 CPU調度及其準則
在設計CPU調度程序時主要應該考慮的準則包括：
(1) CPU使用率。讓CPU盡可能地忙。
(2) 吞吐量。讓CPU在一定時間內完成的進程數盡可能多。
(3) 周轉時間。讓進程從提交到運行完成的時間盡可能短。
(4) 等待時間。讓進程在就緒隊列中等待所花時間之和盡可能短。
(5) 響應時間。讓進程從提交請求到產生第一響應之間的時間盡可能短。 主要的CPU調度算法
1、先到先服務
2、最短作業優先
3、優先權
4、輪轉
5、多級隊列
6、多級反饋隊列
4.3.7 進程的同步與互斥
進程的同步就是指相互協作的進程不斷調整它們之間的相對速度，以實現共同有序地推進。
換句話說,在操作系統中，允許多個進程并發運行。然而，有些進程之間本身存在某種聯系，它們在系統中需要一種協作，以保證進程能正確有序地執行并維護數據的一致性。
在操作系統中，可能存在著多個進程。而系統中一些資源一次只允許一個進程使用，這類資源被稱為臨界資源。在進程中訪問臨界資源的那段程序稱為臨界區。當一個進程進入臨界區執行時，其它進程就不允許進入臨界區執行，否則就會導致錯誤結果。由此得出: 多個進程并發執行時，只允許一個進程進入臨界區運行，這就是進程的互斥。 例如：多個進程在競爭使用打印機時表現為互斥。
一個文件可供多個進程共享，其中有一個進程在寫操作時，其它進程則不允許同時寫或讀，表現為互斥。
4.3.8 進程的死鎖及處理方法
在多道程序設計中，多個進程可能競爭一定數量的資源。一個進程在申請資源時，如果所申請資源不足，該進程就必須處于等待狀態。如果所申請的資源被其它進程占有，那么進程的等待狀態就可能無法改變，從而形成進程之間相互一直等待的局面，這就是死鎖。 競爭資源引起死鎖
引起死鎖的四個必要條件：
· 互斥：任一時刻只能有一個進程獨占某一資源，若另一進程申請該資源則需延遲到該資源釋放為止。
· 占有并等待：即該進程占有部分資源后還在等待其它資源，而該資源被其它進程占有。
· 非搶占：某進程已占用資源且不主動放棄它所占有的資源時，其它進程不能強占該資源，只有等其完成任務并釋放資源。
· 循環等待：在出現死鎖的系統中，一定存在這樣一個進程鏈，其中每個進程至少占有其它進程所必需的資源，從而形成一個等待鏈。
處理死鎖問題的三種方式：
· 可使用協議預防和避免死鎖，確保系統從不會進入死鎖狀態。 · 可允許系統進入死鎖狀態，然后檢測出死鎖狀態，并加以恢復。
· 可忽略進程死鎖問題，并假裝系統中死鎖從來不會發生。即沒有必要把精力花在小概率事件上。
處理死鎖優先考慮的順序：先預防和避免 再檢測和恢復
o 內存物理地址空間劃分為若干個大小相等的塊(頁框)
o 進程的邏輯地址空間也劃分為同樣大小的塊(頁面)
o 內存分配時每個頁面對應地分配一個頁框，而一個進程所分得頁框在位置上不必是連續的。
頁表：操作系統為每個用戶程序建立一張頁表，該表記錄用戶程序的每個邏輯頁面存放在哪一個內存物理頁框。
4.5 虛擬內存方案
虛擬內存是一個容量很大的存儲器的邏輯模型，它不是任何實際的物理存儲器，它一般是借助硬盤來擴大主存的容量。
虛擬內存：對于一個進程來講，如果僅將當前要運行的幾個頁面裝入內存便可以開始運行，而其余頁面可暫時留在磁盤上，待需要時再調入內存，并且調入時也不占用新的內存空間，而是對原來運行過的頁面進行置換。這樣，就可以在計算機有限的內存中同時駐留多個進程并運行。而對用戶來講感覺到系統提供了足夠大的物理內存，而實際上并非真實的，這就是虛擬內存。
4.5.2 頁面請求與頁面置換算法
頁面請求:在虛擬內存技術中，進程運行時并沒有將所有頁面裝入到內存，在運行過程中進程會不斷地請求頁面，如果訪問的頁面已在內存，就繼續執行下去；但如果要訪問的頁面尚未調入到內存，便請求操作系統將所缺頁面調入內存，以便進程能繼續運行下去。
頁面置換:如果請求頁面調入內存時，分配給該進程的頁框已用完，就無法立即裝入所請求頁面。此時，必須將進程中的某個頁面從內存的頁框調出到磁盤上，再從磁盤上將所請求的頁面調入到內存的該頁框中。這個過程叫做頁面置換。
4.6 文件管理
文件管理是操作系統最常見的組成部分。文件管理主要提供目錄及其文件的管理。
4.6.1 文件的概念
文件：保存在外部存儲設備上的相關信息的集合。
文件命名：文件主名+擴展名
文件存取屬性：
· 只讀：只允許授權用戶進行讀操作。
· 讀寫：只允許授權用戶進行讀和寫的操作。
· 文檔：允許任何用戶進行讀寫操作。
· 隱藏：不允許用戶直接看到文件名。
文件系統：是對文件進行操作和管理的軟件，是用戶與外存之間的接口。這個系統將所有文件組織成目錄結構保存在外存，一個文件對應其中的一個目錄條。目錄條記錄有文件名、文件位置等信息。
操作系統對文件的基本操作包括：
創建文件、文件寫、文件讀、文件重定位、文件刪除、文件截短。
對文件的其它操作包括：文件復制、重命名、更改屬性等。
4.6.2 文件的物理結構和邏輯結構
文件結構分物理和邏輯結構。其中物理結構是文件在外存上的存儲組織形式，它與具體的存儲設備有關。文件邏輯結構是指用戶能直接感受到的文件組織結構，它與具體的存儲設備無關。
無結構文件
文件的邏輯結構 有結構文件 流式文件 順序文件 索引文件
索引順序文件
無結構的流式文件：是一維的、連續的、無結構的字符序列，可以看成是由一條無結構的記錄組成的文件。
有結構的記錄式文件：是帶有結構的、性質相同的記錄的集合。
順序文件：文件所包含的一系列記錄按照某種順序依次連續存儲。
索引文件：由主文件和索引表構成。可以實現快速訪問。
(1) 按輸入記錄的先后次序建立數據區和索引表。
(2) 待全部記錄輸入完畢后對索引表進行排序，排序后的索引表和主文件一起就形成了索引文件。
索引順序文件：順序文件和索引文件特點的結合。順序文件是按主關鍵字有序排列的，將順序文件的所有記錄分組，索引表中為每組的首記錄建立一索引項，組與組之間按關鍵字大小有序排列，組內記錄順序查找。
4.6.3 文件的訪問方式
1. 順序訪問方式
順序訪問方式主要適合于對順序文件的訪問。其訪問的位置是由指針定位的。讀操作是讀取指針所指示位置的內容，并自動將指針向后移動，以指示下一次讀的位置。而對寫操作，所寫的內容總是添加到文件的尾部。
順序訪問方式是基于磁帶的模型，不僅適合順序存儲設備(如磁盤)，對直接存儲設備(如磁盤)也適合。
2. 直接訪問方式
直接訪問也稱隨機訪問，它指的是允許跳躍式地隨意存取文件中的任何記錄，而不需要任何順序限制。直接訪問是最為常見和高效的文件訪問方式。直接訪問方式是基于磁盤的模型。
3.索引訪問方式
在進行文件訪問時，首先對索引文件按關鍵字進行檢索，查找到指向數據記錄的指針，根據該指針實現對具體數據記錄的訪問。
4.6.4 文件的目錄結構
通常，一個磁盤至少應包含一個分區，每個分區用來保存文件和目錄結構 。 文件目錄的組成：每個文件有一個文件控制塊FCB，它是文件存在的標志，存放了為管理文件所需的所有有關信息。把所有的文件控制塊組織在一起，就構成了文件目錄，每個文件控制塊就是其中的一個目錄項。
文件的目錄系統可以組織成單層目錄結構、雙層目錄結構、樹型目錄結構、無環路目錄結構和通用圖目錄結構。
樹型目錄結構是目前使用最為廣泛的一種目錄結構。這種目錄結構在邏輯上的構成是一棵樹，子目錄是樹枝，而文件是樹葉。一個用戶所擁有的子目錄位置不需要統一，在一個子目錄下可以再創建子目錄。
4.7 輸入／輸出系統管理
每臺計算機都配備了許多外部設備，它們的性能和操作方式都不一樣。操作系統對設備(即輸入/輸出系統)管理的主要目標是：方便用戶使用外部設備，提高CPU和設備的利用率。
4.7.1 基本概念
1.端口（port）：I/O設備與計算機通信的連接點被稱為端口。
2.控制器(controller)：用于操作端口、總線和設備的一組電子器件，是設備與總線的連接裝置。
4.7.2 輸入/輸出控制方式
CPU通過端口對外設進行控制的方式有以下幾種：
(1) 程序控制方式
早期計算機采用的方式。CPU向設備控制器發出一條I/O指令啟動設備進行一個字節的輸入或輸出，然后CPU就等待I/O設備進行數據傳送，直到一個字節傳送完畢。接下來，CPU按以上方式處理下一個字節的輸入或輸出。
CPU絕大部分時間都用于循環等待及測試I/O是否完成，造成CPU資源的極大浪費。CPU和外圍設備只能串行工作。
(2) 中斷驅動方式
當某進程要啟動某個I/O設備工作時，首先由CPU向相應設備的控制器發出一條I/O命令，然后CPU立即返回繼續執行原來的任務，設備控制器則按照命令的要求去控制I/O設備工作。這時，CPU與I/O設備并行工作。
這種方式CPU的利用率較高。但這種方式的缺點是在一次數據傳送過程中，發生中斷次數較多(每次只傳送一個字節)，這將耗去大量CPU處理時間。
(3) 直接存儲器訪問方式
引入設備DMA控制器，在其控制下，以數據塊為單位，將數據從設備直接送入內存或相反，當一個或多個數據塊傳送完畢時才需要CPU干預。該方式CPU的利用率高。
(4) 通道控制方式
通道控制方式是DMA的發展，它把對每一塊數據的讀寫變成對一組數據的讀寫，可以進一步減少CPU的干預。更大程度地提高了系統資源的利用率。
4.7.3 I/O緩沖管理
現代操作系統中，I/O設備與CPU(實際指內存)交換數據時，需要使用緩沖技術。也就是為I/O設備設置緩沖區暫存數據，等到數據積累到一定程度時，再做批量處理。
引入緩沖：
(1) 緩和CPU與I/O設備間速度不匹配的矛盾；
(2) 減少對CPU中斷頻率；
(3) 提高CPU與I/O設備間的并行性。
4.7.4 設備驅動程序
設備驅動程序與具體設備有關，用戶安裝好硬件后還要再安裝驅動程序，計算機才能識別和使用該設備。每個外部設備都有相應的設備驅動程序，它也是硬件的身份識別標志，負責完成設備具體的各種動作(輸入/輸出操作)。
一旦為I/O設備安裝了驅動程序，那么應用程序在使用I/O設備時，就不必關心設備的特性、I/O控制方式，這樣就實現了應用程序與設備的無關性。
4.8 典型操作系統
4.8.1 Unix
Unix是一個通用、交互式、分時多用戶并支持網絡的操作系統，是可以運行在各種機型(從微機到巨型機在內)上的通用操作系統。主要適用于網絡、大中小型機。
缺點：軟件少，價格貴，難掌握。
4.8.2 DOS
DOS是單用戶、單任務和字符界面的操作系統，主要為16位微型計算機而設計，DOS目前仍在一些微型計算機上運行， 但屬于淘汰產品。
4.8.3 Windows
界面圖形化，操作便捷
采用多任務機制
支持網絡功能
出色的多媒體功能
硬件更容易使用
具有眾多應用程序的支持
4.8.4 Linux
Linux是一個免費、源代碼開放、自由傳播、類似于Unix的操作系統。它既可以做各種服務器操作系統，也可以安裝在微機上，并提供上網軟件、文字處理軟件、繪圖軟件、動畫軟件等，它除了命令操作外還提供了類似Windows風格的圖形界面，我國自行開發的有紅旗、藍點Linux、麒麟Linux等。缺點是兼容性差，應用軟件安裝困難，操作性差，使用不習慣。
4.8.5 Mac OS
Mac OS是一運行于蘋果系列微型計算機上的操作系統。蘋果機多用于圖形領域，它往往代表了潮流和時尚，代表精美的工業設計，但它不兼容Windows軟件，所以叫好不叫座。
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