网络工程师专题讲义 - 图文

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网络工程师专题讲义

专题一：计算机系统基础知识

? 本章主要内容 ? 计算机系统结构基础 ? 计算机操作系统基础 计算机系统结构的基础 ? 计算机系统结构的基础概念 ? 主要研究软件、硬件功能分配，

确定软件、硬件界面，即从机器语言程序员或编译程序设计者的角度所看到的物理系统的抽象。 ? 计算机系统的分类 ? Flynn 分类 ? SISD ? SIMD ? MISD ? MIMD CPU 结构及分类 ? CPU的结构 ? 运算器 ? 控制器 ? 寄存器 ? 输入输出总线 ? 分类 ? 16位 ? 32位 ? 64位 指令系统及其分类 ? 指令系统的基础概念 ? 指令系统是计算机所有指令的集

合。程序员用各种语言编写的程序都有翻译成以指令形式表示的机器语言后才能运行，所以指令系统反映了计算机的基本功能，是硬件设计人员和程序员都能看到的机器的主要属性。 ? 分类

? 复杂指令系统（CISC）：随着硬

件成本的不断下降，软件成本的不断提高，使得人们热衷于在指

令系统中增加更多的指令和复杂的指令，来提高操作系统的效率，并尽量缩短指令系统与高级语言的语义差别，以便高级语言的编译和降低软件成本，同时为了保证程序兼容，新的计算机的指令系统只能增加而不能减少，所以就使得指令系统越来越来复杂 ? 精简指令系统（RISC）：通过简

化指令使计算机的结构更加简单合理，从而提高运算速度！ ? RISC的特点及其优缺点 存储系统的基础知识 ? 基本概念

? 存储器主要用于存放计算机的程

序和数据，存储器系统指的是存储器硬件设备以及管理该存储器的软、硬件设备。对存储器的基本要求是增大容量、提高速度、降低价格。单一的存储器硬件（主存储器）难以满足要求。所以就提出了多层次的存储体系结构（即：寄存器---Cache--主存—外存）

? 在计算机中存放当前正在执行的

程序以及被程序所使用的数据（包括运算结果）原存储器称为主存储器。也就是我们所说的内存 主存储器的种类

? 按读写功能来分：是否需要定期

刷新：

? 静态：不停电情况下能长时间保

留不变，速度快，但容量小，成本高

? 动态：不停电的情况下也要定期

刷新，容量大，成本低，常用在计算机系统中，常见的有：SDRAM、 DDR等

? 可读写（RAM） ? 可擦写只读：

? EPROM（可擦写，用紫外线擦写） ? EEROM（可用电擦写） ? FLASH（电读写，但只能以块为

单位，速度快，成本低，现在最常用）

? 可编程：EROM（通过编程一次性

写入）

? 只读：ROM（制造时一次性写入） 存储器容量的扩展

? 位扩展：位扩展是对存储器的位

数进行扩充

? 字扩展：是对存储器的容量进行

扩展

? 位、字扩展：对位数和容量都进

行扩展 多体交叉存储

? 为了协调存储器与CPU速度的，

其工作原理是：将存储器分成几个独立的个体，这样第一次就能进行多个字的数据读写！ ? 影响多体交叉效率的因素： ? 多体存储的模值M ? 数据的分布情况 ? 较移指令 Cache的基础知识 ? 基本概念

? 在多级存储体系中，Cache处于

CPU与存储器之间，其目的是使程序员能使作一个速度与CACHE相当而容量与主存相当的存储器。

? 工作原理为：计算机执行作业时，

访问存储器的时间和空间的局部性原理

? 工作方式：当存储器接收到读命

令后，先在CACHE中查找此信息，

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有志者,事竞成. copyright reserved by ZexianHuang 若在（又叫命中），则从CACHE中取出，不中才从主存中取出 ? CACHE速度的计算

实际速度=cache的速度*命中

率+（1-命中率）*主存的速度 虚拟存储器 ? 基本概念

? 虚拟存储器通过增设地址映象表

机构来实现程序在主存中的定位，将程序分割成若干段或页，用相应的映象表指明该程序的某段或某页是否已装入主存。若已装入，同时指明其要主存中的起始地址；若未装入，就去辅存中调段或调页，装入主存后在映象表中建立好程序空间和实存空间的地址映象关系。 ? 页面失效替换算法 ? 近期最少使用算法 ? 随机算法 ? 先进先出

总线 、接口及输入输出系统 ? 定义

? 总线：是从两个或两个以上源部

件传送信息到一个或多个部件的一组传输线,如果一根传输线仅用于连接一个源部件(输出)和一个或多个目的部件(输入)则不称为总线；

? 接口：计算机的外部设备,如磁盘

驱动器,键盘和显示器等,都是独立的设备,这些独立设备与主机相连时,必须按照规定的物理互连特性,电气特性等进行连接,这些特性的技术规范称为外设接口；

? 输入输出系统：输入输出系统包

括输入输出没备、设备控制器及输入输出操作有关的软硬件，输入输出系统的发展经历了3个阶段：

? 程序控制I/O ? 直接存储器访问 ? I/O处理机 通道的分类及计算

? 通道处理机是IBM公司首先提出

来的一种I/O处理机方式。根据通道数据传送方式的不同，可分为字节多路、选择和数组多路三类通道。

? 字节多路通道：适用于连接大量

低速设备，传送一个字的时间短，但等待的时间长，可以多台设备同时进行工作

? 数组通道：连接多台高速设备，

开始寻址辅助时间长，但传送速成率高，采用成组交叉方式工作，传送定长块，可以多台设备进行工作

? 选对通道：优先级高的磁盘等高

速设备，独占通道，传送不定长块！

? 最大流量的计算：

? 字节多路通道的最大流量为各个

设备的流量之和

? 数组和选择通道的最大流量为

其中所挂载设备的最大流量 外存系统 ? 基础概念

? 计算机的内存是动态RAM，当停

机后其数据将丢失，而且RAM的大小有限，所以计算机系统需要一种能长久保存数据，且容量大的存储设备，一般我们常说外存设备主要是指：磁盘、磁带和光盘

? 工作原理：对于磁盘之类的磁表

面计录方式是利用磁性材料的磁滞回归线特征将数据记录在磁性物体的表面。而对于光盘之类的设备是将数据以光学特征的形式存储在盘片的表面。

? 技术指标：

? 存储密度：是指单位长度或面积

磁层表面所存储的二进制数据量 ? 存储容量：是指设备能存储的信

息的总量

? 均访问时间：是指磁盘从发出读

写命令到读出或写入信息所花的时间 重叠和流水

? 重叠（流水）是指通过控制机构

同进解释两条（多条以至整个段）程序的方式，从而加快整个机器语言程序的解释

? 流水线的吞吐率：流水线的最大

吞吐率为流水线中最慢子过程经过的时间。

? 提高吞吐率的手段： ? 多细分瓶颈子过程 ? 重复设置套瓶颈段并联 阵列处理机

? 定义：阵列处理机也称并行处理

机，它将大量重复设置的处理单元，按一定方式互连成陈列，在单一控制部件控制下对各自所分配的不同数据并行执行同一指令规定的操作，是操作级并行的SIMD计算机，处理单元是不带指令控制部件的算术逻辑部件。 ? 特点是：

? 利用资源重复，而不是时间的重

叠。

? 利用并行中的同时性，而不是并

发性！ 多处理机

? 定义：是具有两台以上的处理机，

在操作系统控制下通过共享的主存或输入/出子系统或高速通讯网络进行通讯。多处理机是属于多控制流多数据流系统。 ? 目的是：

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? 1、用多台处理机进行多任务处理

协同求解一个大而复杂的问题来

专题二：操作系统概述

? 进程管理

? 进程管理主要是对处理机进行管

理，为了提高CPU的利用率，采用了多道程序技术，为了描述多道程序的并发执行，就要引入进程的概念，通过进程管理协调多道程序之间的关系，解决对处理机分配调度策略、分配实施和回收等问题，以使CPU资源得到最充分的利用。 ? 存储管理

? 存储管理主要管理内存资源，由

于内存整体价格贵、而且受CPU寻址能力的限制，内存的容量也有限，因此，当多个程序共享有限的内存资源时，要解决的问题是：如何为它们分配内存空间。同时，使用户存放在内存中的程序和数据彼此隔离、互不侵扰！ ? 文件管理

? 文件管理的任务是有效进支持文

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，以使用户方便，安全地访问文件。 ? 设备管理

? 设备管理是指计算机系统中除了

CPU和内存以外的所有输入输出设备的管理，为了提高设备的使用效率和整个系统的运行速度，可采用中断技术，通道技术，虚拟设备和缓冲技术，尽可能发挥设备和主机的并行工作能力。此外还应提供一个良好的界面 ? 作业管理

? 操作系统是用户与计算机系统之

间的接口，因此作业管理的任务是为用户提供一个使用系统的良

提高速度

? 2、依靠冗余的处理机及重组来

好环境，使用户能有效地组织自己的工作流程，并使整个系统能高效地运行 操作系统的类型 ? 批处理操作系统

? 用户一般不直接操纵计算机，而

是将作业提交给系统操作员。操作员将作业成批地装入计算机，操作系统将作业按规定的格式磁盘的某个区域，然后按照某种调度策略选择一个或几个搭配得当的作业调入内存加以处理；内存中多个作业交替执行，处理步骤事先由用户设定，作业的结果由操作系统按作业统一加以输出，由操作员将作业运行结果交给用户。

? 特点：多道 成批 ? 分时系统

? 分时系统允许多个用户同时联机

地使用计算机，一台分时计算机系统连有若干台终端，多个用户可以在各自的终端上向系统发出服务请求，等待计算机的处理结果并决定下一步的处理。操作系统接收每个用户的命令，采用时间片轮转的方式处理用户的服务请求。

? 特点：多路性、交互性、独立性、

及时性 ? 实时系统

? 是指系统能够及时响应随机发生

的外部事件，并在严格的时间范围内完成对该事件的处理，常用在特定的应用中作为一种控制设备来使用。

? 特点：实时性、专用性 ? 网络操作系统

? 提高系统的适应性和可靠性，可

用性

? 网络操作系统是通过通讯设施将

地理上分散的具有自治功能的多个计算机系统互联起来，实现信息交换，资源共享，互操作和协操作处理的系统。 ? 特点：计算机自治 ? 分布式操作系统

? 与网络操作系统类似，但分布系

统要求一个统一的操作系统，实现系统操作的统一性，分布式操作系统管理系统中所有资源，它负责全系统的资源分配和调度，任务划分，信息传输控制协调工作，并为用户提供一个统一的界面。 ? 特点： ? 统一界面 ? 资源对用户透明 进程管理 ? 进程的定义

? 进程是具有一定独立功能的程序

关于某个数据集合上的一次运行活动，进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。 ? 进程的分类

? 从操作系统角度来看，可将进程

分为系统进程和用户进程两类； ? 系统进程执行操作系统程序，完

成操作系统的某些功能； ? 用户进程运行用户程序，直接为

用户服务 。 ? 进程与程序的区别 ? 程序是构成进程的组成部分之

一，一个进程的运行目标是执行它所对应的程序。如果没有程序，进程就失去了其存在的意义，从静态的角度看，进程是由程序、

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有志者,事竞成. copyright reserved by ZexianHuang 数据和进程控制块（PCB）三部分组成； ? 区别： ? 程序是静态的 ? 进程是动态的 进程的状态 就绪 1 2 3 运行 4 等待 1 进程调度被选中 2 时间片用完 3 等待某个事件 4 等待的事件已获得 进程间的通讯 ? 进程的同步与互斥 ? 同步：进程的同步是指进程之间一种直接的协同工作关系，这些进程相互合作，共同完成一项任务，进程间的直接相互作用构成进程的同步。 ? 互斥：在系统中许多进程常常需要共享资源，而这些资源往往要求排他地使用（即独占设备），即一次只能为一个进程服务。 ? 临界区：系统中一些资源一次只允许一个进程使用，这个资源称为临界资源。而在程序中访问临界资源的那一段程序称为临界区，要求进入临界区的进程之间就构成了互斥关系。为了保证系统中各并发进程顺利运行，对两个以上欲进入临界区的进程，必须实行互斥，为此系统采取了一些调度协调措施。 信号量的P、V操作 ? P操作 ? 功能：使用一个资源 ? 实现：

P（S） S：=S-1 若S<0,则该进程进入S信号量的队列中等待 ? V操作 ? 功能：释放一个资源 ? 实现： V（S） S:=S+1 若S<=0,则释放S信号量队列上的一个等待进程,使之进行就绪队列 死锁 ? 定义: 在多道程序系统中,一组进程的每一个进程均无限期地等待被该组进程的另一进程所占有且永远不会释放的资源,这种现象称系统处于死锁状态。 ? 产生的必要条件: ? 互斥资源 ? 不可抢占 ? 占有等待 ? 循环等待 ? 死锁的处理 ? 死锁的预防 ? 死锁的避免 ? 安全状态 ? 银行家算法 ? 死锁的检测 ? 死锁的解除 ? 资源剥夺 ? 撤消进程 存储管理 ? 存储管理它负责计算机系统存储器的管理，存储管理主要是指对内存空间的管理。 ? 存储管理主要是对内存中用户区进行管理，其目的是充分利用内存，为多道程序并发提供存储基础，并尽可能方便用户使用。 ? 存储管理概述 1． 内存空间的分配和回收 2． 内存空间的共享 3． 存储保护 4． 地址映射 5． 内存扩充 ? 内存资源 1． 内存分区 2． 内存分配 3． 碎片处理 ? 分区存储管理 ? 固定分区 ? 可变分区 作业管理 ? 作业：就是用户在一次上机算题过程中或一次事务处理过程中，要求计算机系统所做工作的总称。作业管理的主要任务是作业调度和作业控制 ? 作业调度：是要根据一定的调度算法，从输入到系统的一批作业中选出若干个作业，分配必要的资源，如内存，外部设备等，为它建立相应的用户作业进程和为其服务的系统进程，最后把这些作业的程序和数据调入内存，等待进程调度程序去调度执行。作业调度又称高级调度。 ? 作业控制：是指在操作系统支持下，用户如何组织其作业并控制作业的运行。作业控制方式有两种：脱机作业控制和联机作业控制。 ? 作业调度算法： ? 基本目标 ? 尽量提高系统的作业吞吐量 ? 尽量吏CPU和外部设备的资源利用率 ? 对各种作业合理调度，使所有用户都满意 ? 主要作业调度算法介绍 ? 先来先服务 ? 短作业优先算法 - 4 -