计算机基本概念

Posted 2020-07-06 王庆民

计算机基本概念

一、计算机系统

        计算机系统的基本组成：

        在计算机内部，数值、文字、声音、图形图像等各种信息都必须经过数字化编码后才能被传送、储存和处理；数值、文字和英文字母等都被认为是字符，任何字符进入计算机时，都必须转换成二进制表示形式，称为字符编码。

        总线是连接多个设备的信息传送通道，实际上是一组信号线。广义地讲，任何连接两个以上电子元器件都可以称为总线，总线主要分为系统总线（内总线）和通信总线（外总线）。

        内总线：用于计算机各组成部分，CPU、内存和接口等的连接；PCI总线是目前微型机上广泛采用的内总线；

        外总线：计算机与外设或者计算机和计算机之间的连接或通信，SCSI外总线，USB外总线。

        寄存器是CPU中的一个重要组成部分，是CPU内部的临时存储单元，CPU内部总线将运算器、控制器和寄存器组等连接在一起。

        存储系统的层次结构：CPU的寄存器、高速缓存Cache、主存（内存）、外存储（硬盘等），容量依次变大但速度变慢。

        中断：分为内中断和外中断，是计算机系统中的一个重要的概念，在CPU执行程序的过程中，由于某一个外部的或者CPU内部事件的发生，使CPU暂时中止正在执行的程序，转去处理这一事件，当事件处理完毕后又回到原先被中止的程序，接着中止的状态继续向下执行，这一个过程就称为中断。

        指令系统：CPU所能完成的操作是由其执行的指令决定的，这些指令称为机器指令。CPU能执行的所有机器指令的集合称为CPU的指令系统。指令系统设计的好坏、功能的强弱，对整个计算机会产生很大的影响，指令系统是计算机中硬件与软件之间的接口。

        寻找方式，就是如何对指令中的地址字段进行解释，以获得操作数的方法或获得程序转移地址的方法，操作数的位置可能在指令中、寄存器中、存储器中或者I/O端口中。常用的寻址方式有立即寻址（ADD AX，3048H；指令中直接给出操作数3048H）、直接寻址（ADD AX，[2000H]；操作数存放在内存单元2000H中）、寄存器寻址（ADD AX，[2000H]；操作数存放在某一个寄存器中AX)、寄存器间接寻址（ADD AX，[BX]；操作数所在的内存地址存放在寄存器BX中）和基址寻址（ADD AX，[BX+100H]）等。

二、操作系统

        操作系统是计算机系统中必不可少的核心系统软件，其他软件建立在操作系统的基础上，并在操作系统的统一管理和支持下运行，操作系统是用户和计算机之间的桥梁，用户通过操作系统提供的功能访问计算机系统中的软硬件资源。操作系统的分类：批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、分布式操作系统和嵌入式操作系统等。操作系统的作用主要包括：处理机管理（进程管理）、文件管理、存储管理、设备管理和作业管理。

        1.处理机管理（进程管理）

        处理机管理也叫进程管理，其核心是如何合理地分配处理机的时间，提高系统的效率。进程的五态模型：新建、就绪、运行、阻塞和终止。

        原语是指由若干条机器指令组成、用来完成特定功能的程序段，其特点是执行时不可分割，是原子操作。

        进程通信：同步和互斥（死锁），信号量机制（PV操作），进程间通信。

        进程调度方式是指当有更高优先级的进程到来时如何分配CPU，调度方式分为可剥夺和不可剥夺。调度算法：先来先服务、时间片相关。线程和进程。

        2.存储管理

        存储器管理的对象是主存储器（主存、内存），其功能主要包括分配和回收主存空间、提高主存的利用率等；存储器的层级结构：

        储存管理方案：分页存储管理、分段存储管理、段页式管理和虚拟存储管理。

        分页存储管理：将一个进程的地址空间或者内存空间分成若干大小相等的区域，成为页。页的大小为4K，前32位是页头，包括0-11是页内地址，其可以表示的最大值是4K，所以页大小是4K，12-31是页号，其可以表示的最大值是1024K，所以允许的地址空间大小最多是1M个页，由此可以看出32位系统上可支持的最大内存是4G；

       

        系统为每个进程建立了一张页面映射表，表示进程的页和物理内存筷的映射关系，简称为页表；地址变换机构利用此页表把用户程序中的虚拟地址变换成内存中的物理地址。

        分段存储管理：

        段是信息的逻辑单位，因此分段易于实现段的共享，即允许若干个进程共享一个或者多个段。分页系统中每一页只是存放信息的物理单位，其本身没有完整的意义，而段是信息逻辑单位；程序被分为若干段，每段是一组完整的逻辑信息，如主程序段、子程序段、数据段和堆栈段等，每段都有自己的名字，都是从零开始编址的一段连续地址空间。分段系统的段头占32位，0-15是段内地址（故而每段的长度是64K），16-31是段号（最多表示64K个段）：

        同样存在一个段表，进程在执行时，通过查找段表找到每个段对应的内存区域，实现逻辑地址段到物理内存区的映射。
        虚拟存储管理：

        如果一个作业的部分内容装入主存便可以开始启动运行，其余部分暂时留在磁盘上，需要时在装入内存。这样，可以有效地利用主存空间，从用户角度看，该系统所具有的主存容量将比实际主存容量大得多，人们把这样的存储器成为虚拟存储器。其基于程序的局部性原理（时间局部性和空间局部性）。

        虚拟存储器具有请求调入功能和置换功能，每当所要访问的页面不再主存时，便产生一个缺页中断，请求调入所缺的页，如果发生缺页且内存中又无空闲块，就必须从内存中调出一页程序送入磁盘对换区。但是究竟将那个页面调出，需要根据一定的页面置换算法来确定。（缺页中断和一般中断的主要区别：缺页中断在指令执行期间产生和处理中断信号，而一般中断在一条指令执行结束后，下一条指令开始执行前检查和处理中断信号；缺页中断返回到被中断指令的开始重新执行该指令，而一般中断返回到下一条指令执行。）

        3.文件管理

        操作系统中的文件系统专门负责管理外存储器上的信息，是用户可以方便、快速的i存储信息。Unix上是虚拟文件系统VFS，并将文件分为普通文件、目录文件和设备文件，采用三级索引结构，文件系统中的i-node是基本的构件，它表示系统树型结构的节点。

        4.设备管理

        设备管理是操作系统中最繁杂且和硬件紧密相关的部分，不但要管理磁盘机、打印机等实际I/O操作的设备，还要管理诸如设备控制器、DMA控制器

中断控制器等支持设备。设备管理包括设备分配、缓冲区管理和实际物理I/O设备操作。设备管理的目的是提高设备的利用率和方便用户使用。

        设备的分类，从数据组织角度分为块设备（磁盘）和字符设备（打印机），或者从资源分配角度分为独占设备（打印机）、共享设备（磁盘）和虚拟设备；设备管理技术主要包括通道、DMA、缓冲和Spooling技术。

        5.作业管理

        可以采用脱机和联机两种控制方式控制作业的运行。在脱机控制方式中，作业运行的过程是无须人工干预；在联机控制方式中，操作系统向用户提供了一组联机命令，用户通过终端等方式输入命令，控制作业的运行，此过程需要人工干预。作业的状态分为提交、后备、执行和完成。在多任务并行执行模式下，需要作业调度算法，以便提供系统性能，如先来先服务、短任务优先、响应比高者优先等。

三、计算机网络

        计算机网络的组成包括硬件和软件。其中硬件主要包含主机、网卡、路由器等；软件包括协议和应用软件。

        计算机网络的分类，按距离可分为广域网（WAN）、城域网（MAN）和局域网（LAN）。

       1.  计算机网络硬件

        中继器（Repeater）、集线器（Hub）、交换机（Switch）：中继器运行在物理层，主要起放大信号的作用，集线器是中继器的一种，主要提供更多的端口服务所以其又称为多口中继器；为了提高网络的传输速度，根据程控交换机的工作原理，设计出交换式集线器，也就是交换机；

        网桥（Bridge）：使用网桥可扩展局域网的范围，运行在第二层数据链路层；

        路由器（Router）：当两个不同类型的网络彼此相连时，必须使用路由器，运行在第三层网络层，而网桥运行在第二层数据链路层；

        网关（Gateway）：当连接两个完全不同结构的网络时，必须使用网关，网络层的全部七层。

        2. 计算机网络软件

        国际标准化组织ISO提出的网络体系结构模型OSI基本不再使用，美国国防部高级研究计划局提出的TCP/IP模型已被广泛应用于局域网和广域网中称为事实上的国际标准：

        IP（Internet Protocol）协议：主要功能是将上层的数据包封装到IP数据报中发送到目的地址，其提供的是无连接的和不可靠的服务；

        ARP和RARP：反/地址解析协议（Address Resolution Protocol），将IP地址转换为物理地址和将物理地址转换为IP地址；

        TCP（Transmission Control Protocol）/UDP：在IP层之上，为应用程序提供了一个可靠的、面向连接的、全双工的数据传输服务，采用三次握手的方式；UDP是一种不可靠、无连接的协议；

        应用层协议：NFS、Telnet、SMTP、DNS、SNMP、FTP、RTSP、RTP/RTCP等；应用层和下层TCP/UDP传输层的接口是其提供的socke接口，应用层通过调用socket接口实现其数据传输。int socket(int domain, int type, int protocol)：第三个参数指定协议类型如TCP或者UDP等。

        3. IP地址

        接入因特网的计算机都有一个有授权机构分配的号码，称为IP地址；其采用分层结构，有网络号与主机号两部分组成；网络号相同的主机可以直接相互访问，网络号不同的主机需通过路由器才可以相互访问。TPC/IP协议规定，根据网络规模的大小可将IP地址分为5类（A、B、C、D、E）：

        子网掩码：主机号中的前几个字段设为子网号，和网络号一起组成，并都设为1，如255.255.240.0；在发送数据寻址时先和子网掩码进行与运算，如果相同则处于同一个子网；当然子网的划分是本单位内部的事情，在外面看不到此种划分。

        IPv6:126位，通常的写法是每组4个16进制，如FE80:0000:0000:0000:AAAA:0000:00C2:0002

        4.Internet服务

        Internet为全球的网络用户提供了及其丰富的信息资源和最先进的信息交流手段，网络上的各种内容均由其来提供。Internet IP可支持65535中服务，这些服务是通过各个端口到名字实现的逻辑连接：0-1023是公认端口。

        FTP：文件传输协议，使用的端口是20,21；WWW服务：World Wide Web万维网，使用一个TCP端口80；Telnet：远程登录服务，使用的端口是23。

四、标准化和知识产权

        1.标准化的相关知识

        标准的分类主要由国际标准（IEC、ISO）、国家标准（中国的标准GB，美国标准ANSI）、行业标准（美国电气和电子工程师学会标准IEEE）、区域标准（国际电信联盟ITU）。  

        2.知识产权的相关知识

        知识产权可分为工业产权和著作权两类。其中工业产权包含专利、实用新型、商标、厂商名称等。

五、计算机安全

        信息系统安全的5个基本需求为机密性、完整性、可用性、可控性和可审计性。蠕虫病毒和木马病毒。

        网络安全技术主要分为主动防御保护技术和被动防御保护技术。

        主动防御保护技术：数据加密、身份认证、访问控制、权限设置等；

        被动防御保护技术：防火墙技术、入侵检测技术、安全扫描技术等。

        加密和解密技术可以分为对称加密技术和非对称加密技术。其中对称加密技术是指加密和解密使用相同的秘钥；非对称加密技术指用公开秘钥加密后必须用对应的私有秘钥解密，秘钥分为公开秘钥（public key）和私有秘钥（private key）。数字签名则是采用的是非对称加密算法：数据源发送方使用私钥对数据进行加密，数据接收方使用公开的秘钥进行解密。