电脑系统原理-系统原理的作用

1.电脑系统运行的原理

2.计算机操作系统原理？

3.计算机硬件工作原理？

4.操作系统原理

5.计算机原理的系统构成

电脑系统运行的原理

概念上讲，一部计算机的存储器可以被视为一组“细胞”单元。每一个“细胞”都有一个编号，称为地址；又都可以存储一个较小的定长信息。这个信息既可以是指令（告诉计算机去做什么），也可以是数据（指令的处理对象）。原则上，每一个“细胞”都是可以存储二者之任一的。

算术逻辑单元（ALU）可以被称作计算机的大脑。它可以做两类运算：第一类是算术运算，比如对两个数字进行加减法。算术运算部件的功能在ALU中是十分有限的，事实上，一些ALU根本不支持电路级的乘法和除法运算（由是使用者只能通过编程进行乘除法运算）。第二类是比较运算，即给定两个数，ALU对其进行比较以确定哪个更大一些。

输入输出系统是计算机从外部世界接收信息和向外部世界反馈运算结果的手段。对于一台标准的个人电脑，输入设备主要有键盘和鼠标，输出设备则是显示器，打印机以及其他许多后文将要讨论的可连接到计算机上的I/O设备。

控制系统将以上计算机各部分联系起来。它的功能是从存储器和输入输出设备中读取指令和数据，对指令进行解码，并向ALU交付符合指令要求的正确输入，告知ALU对这些数据做那些运算并将结果数据返回到何处。控制系统中一个重要组件就是一个用来保持跟踪当前指令所在地址的计数器。通常这个计数器随着指令的执行而累加，但有时如果指令指示进行跳转则不依此规则。

20世纪80年代以来ALU和控制单元（二者合成中央处理器，CPU）逐渐被整合到一块集成电路上，称作微处理器。这类计算机的工作模式十分直观：在一个时钟周期内，计算机先从存储器中获取指令和数据，然后执行指令，存储数据，再获取下一条指令。这个过程被反复执行，直至得到一个终止指令。

由控制器解释，运算器执行的指令集是一个精心定义的数目十分有限的简单指令集合。一般可以分为四类：1）、数据移动（如：将一个数值从存储单元A拷贝到存储单元B）2）、数逻运算（如：计算存储单元A与存储单元B之和，结果返回存储单元C）3）、条件验证（如：如果存储单元A内数值为100，则下一条指令地址为存储单元F）4）、指令序列改易（如：下一条指令地址为存储单元F）

指令如同数据一样在计算机内部是以二进制来表示的。比如说，10110000就是一条Intel x86系列微处理器的拷贝指令代码。某一个计算机所支持的指令集就是该计算机的机器语言。因此，使用流行的机器语言将会使既成软件在一台新计算机上运行得更加容易。所以对于那些机型商业化软件开发的人来说，它们通常只会关注一种或几种不同的机器语言。

更加强大的小型计算机，大型计算机和服务器可能会与上述计算机有所不同。它们通常将任务分担给不同的CPU来执行。今天，微处理器和多核个人电脑也在朝这个方向发展。

超级计算机通常有着与基本的存储程序计算机显著区别的体系结构。它们通常由者数以千计的CPU，不过这些设计似乎只对特定任务有用。在各种计算机中，还有一些微控制器采用令程序和数据分离的哈佛架构

计算机操作系统原理？

1、操作系统（英语；OperatingSystem，简称OS）是对人体大脑的仿生学应用，其工作原理与大脑控制人类身体的过程十分相似。

2、操作系统是一套管理电脑硬件与软件资源的程序，同时也是计算机系统的内核与基石。

3、操作系统身负诸如管理与配置内存、决定系统资源供需的优先次序、控制输入与输出设备、操作网络与管理文件系统等基本事务。

4、操作系统是管理计算机系统的全部硬件资源包括软件资源及数据资源；控制程序运行；改善人机界面；为其它应用软件提供支持等，使计算机系统所有资源最大限度地发挥作用，为用户提供方便的、有效的、友善的服务界面。

5、操作系统是一个庞大的管理控制程序，大致包括5个方面的管理功能：进程与处理机管理、作业管理、存储管理、设备管理、文件管理。

计算机硬件工作原理？

首先简单讲一下计算机硬件系统；硬件是指组成计算机的各种物理设备，它包括计算机的主机和外部设备。其中计算机硬件的五大功能部件是运算器、控制器、储存器、输入设备和输出设备。这五大部件相互配合，协调工作。首先由输入设备接受外界信息，也就是原始数据，控制器发出指令将数据送入存储器，然后向存储器发出取指令命令，在取指令命令下，程序指令逐条送入控制器，控制器对指令进行译码，并根据指令的操作要求，向存储器和运算器发出存数、取数命令和运算命令，经过运算器并把计算结果存储在存储器内。最后在控制器发出的取数和输出命令的作用下，通过输出设备输出计算结果。

操作系统原理

　进程概念是现在操作系统的基本概念，已经成为计算机科学中的一大成就。下面是我分享的相关内容，欢迎阅读参考。

　什么是进程?

　进程的出现，是为了是操作系统可以以一种有序的方式管理应用的执行，以达到以下目的：

　资源对多个应用程序是可用的;

　物理处理器在多个应用程序之间切换以保证所有程序都在执行中;

　处理器和I/O设备能得到充分利用;

　所有现在操作系统采用的方法都是依据一个或者多个进程存在的应用程序执行的一种模型。 到底什么是进程呢?

　进程是一组元素组成的实体，它可以是一个正在执行中的程序，也可以是一个能分配给处理器并由处理器执行的实体。

　进程的两个基本元素是：程序代码(program code)和代码相关联的数据集(set of data)。

　在进程执行时，任意给定一个时间，进程都可以唯一地表征为以下元素：

　标识符：进程的唯一标识符，用来区别其他进程

　状态：进程在不同的生命周期有着不同的状态

　优先级：相对于其他进程的优先级

　程序计数器：程序中即将被执行的下一条指令的地址

　内存指针：包含程序代码和进程相关数据的指针，还有和其他进程共享内存块的指针

　I/O状态信息：包括显示的I/O请求、分配给进程的I/O设备和被进程使用的文件列表等

　记账信息：可能包括处理器时间总和、使用的时钟数总和、时间限制、记账号等

　上述的列表信息被存放在一个称为进程控制块的数据结构中，该控制块由操作系统创建 和管理。

　进程状态

　在任何时刻，进程可以处于以下两种状态之一：运行态和未运行态，这是最简单的两状态模型。在这个模型中，会有一个调度器(dispatcher)，使处理器从一个进程切换到另外一个进程。

　'内存状态转换'

　由于存在着一些处于非运行状态但已经就绪等待执行的进程，而同时存在另外一些处于堵塞状态等待I/O操作结束的进程。

　因此，解决这一问题比较自然的方法是使用五状态模型： 运行态、就绪态、堵塞/等待态、新建态和退出态。

　'五状态模型'

　>>(1)被挂起的进程

　上述的基本状态提供了一种为进程建立系统模型的方法，并指导系统的实现。但是，往这个模型中添加其他状态也是合理的。

　由于处理器的运行速度远大于I/O，以至于内存中所有的进程都在等待I/O的情况也是很常见的。因此，即使是多道程序设计，大多数处理器仍然可能处于空闲状态。

　一种解决方案是增大内存，使得内存中可以存在更多的进程。然而这种方案显然是治标不治本的。

　另外一种解决方案是交换(swapping)。当内存中没有处于就绪状态的进程时，操作系统就把被阻塞的进程换出到磁盘中的挂起队列(suspend queue)。操作系统在此之后取出挂起队列中的另一个进程，或者接受一个新进程，将其加载到内存中运行。这时，在进程状态模型中添加了另外一个状态：挂起态。

　当操作系统从挂起队列中取出一个依然阻塞的进程是毫无意义的，因为它仍然没有准备好执行。所以为了区分被挂起的进程哪些是可以取出的，需要设计另外一种挂起模型：

　为了区分，需要四个状态：

　就绪态：进程在内存中并可以执行

　阻塞态：进程在进程中并等待一个事件

　阻塞/挂起态：进程在外存中并等待一个事件

　就绪/挂起态：进程在外存中，但是只要被载入内存就可以执行

　总结一下挂起的'进程的概念：

　进程不能被立即执行。

　进程可能是或不是正在等待一个事件。如果是，阻塞条件不依赖于挂起条件，阻塞事件的 的发生不会使进程立即执行。

　为组织进程的执行，可以通过代理把这个进程置于挂起状态，代理可以是进程自己，也 可以是父进程或者操作系统。

　除非代理显示的命令操作系统进行状态转换，否则进程无法从这个状态中转移。

　除了因为提供更多的内存空间，进程还会因为什么原因被挂起呢?

　在所有这些导致进程挂起的情况中，挂起进程的活动都是由最初请求挂起的代理请求的。

　进程描述

　操作系统控制计算机系统内部的事件，它为处理器执行进程而进行调度「schedule」和分派 「dispatch」，给进程分配资源，并响应用户程序的基本服务请求。因此，操作系统可以被视为管理系统资源的实体。

　操作系统为了控制进程和管理资源需要哪些信息呢?

　>>(1)操作系统的控制结构

　为了管理进程和资源，操作系统构造并维护它所管理的每个实体的信息表。

　操作系统维护四种不同类型的表：内存、I/O、文件和进程。

　内存表「memory tables」用于跟踪内存和外存。内存表必须包括一下信息：

　分配给进程的内存

　分配给进程的外存

　内存块或者虚拟内存块的保护属性

　管理虚拟内存所需要的任何信息

　I/O表「I/O tables」用于管理计算机系统中的I/O设备和通道。在任何给定的时刻，一个I/O 设备或者是可用的，或者是已分配给某个特定的进程。如果正在进行I/O操作，则操作系统需 要知道I/O操作的状态和作为I/O传送的源与目标的内存单元。

　文件表「file tables」用于提供关于文件是否存在、文件在外存中的位置、当前状态和属性 的信息。

　进程表「process tables」为了管理和操作进程所必须使用的表。

　>>(2)进程控制结构

　操作系统在管理和控制进程时，首先必须知道进程的位置，然后，它必须知道在管理时所必需的进程的属性(如进程ID、进程状态)。

　进程位置

　想一个最基本的问题：进程的物理表示是什么?

　回想之前关于进程的定义，进程至少包括一个或者一组被执行的程序，与这些程序相关联的 局部变量、全局变量和任何已定义常量的数据单元。因此，一个进程至少包括足够的内存空 间，以保存该进程的程序和数据;此外，程序的执行通常设计用于跟踪过程调用和过程间参 数传递的栈。最后，与每个进程相关联的还有操作系统用于控制进程的许多属性，也就是进 程控制块。程序、数据、栈和属性的集合称为进程映像「process image」。

　在最简单的情况下，进程映像保存在邻近的活连续的存储块中。因此，操作系统必须知道每 个进程在磁盘中的位置;对于在内存中的进程，需要知道其在内存中的位置。

　现代操作系统嘉定分页硬件允许用不连续的物理内存来支持部分常驻内存的程序。在任何给 定的时刻，进程映像的一部分可以在内存中，剩余部分可以在外存中。因此，操作系统维护 的进程表必须表明每个进程映像中每页的位置。

　进程属性

　操作系统所需要的每个进程信息的简单分类：

　进程标识信息

　进程状态信息

　进程控制信息

　所有的操作系统中，每个进程都分配了唯一的一个数字来表示进程标识符。除此之外， 还分配一个用户标识符，用于表明拥有该进程的用户。

　处理器状态信息包括处理器寄存器的内容。当进程被中断时，所有寄存器中的信息必须 被保存起来，使得进程恢复执行时，这些信息可以被恢复。

　进程控制块中的第三类主要信息是进程控制信息，用于操作系统控制和协调各种活动进 程所需要的额外信息。

　进程控制块中可能还包含构造信息，包括将进程控制块链接起来的指针。

　进程控制块的作用

　进程控制块是操作系统中最重要的数据结构。操作系统中的每个模块，包括那些设计调度、 资源分配、中断处理、性能检测和分析的模块，都可能读取或者修改进程控制块。

　进程控制

　>>(1)执行模式

　为了保护操作系统和重要的操作系统表不受用户程序的干涉，操作系统通常使用两种模式管理进程：特权模式『也称为系统模式(system mode)、控制模式(control mode)或者内核模式 (kernel mode)』，和用户模式。

　在内核模式下，软件具有对处理器及所有指令、寄存器和内存的控制能力，这一级的控制对用户程序不是必需的，并且为了安全也不是用户程序可以访问的。

　>>(2)进程创建

　操作系统一般安装以下步骤创建进程：

　给进程分配一个唯一的进程标识符。此时，主进程表中增加一条新表项，其对应该进程。

　给进程分配空间。包括进程映像中的所有元素。

　初始化进程控制块。进程控制信息部分的初始化基于标准默认值和为该进程所请求的属 性。

　设置正确的连接。

　创建或者扩充其他数据结构。

　>>(3)进程切换

　关于进程切换，有着一些问题。

　进程什么时候进程切换?

　执行模式切换和进程切换之间有什么区别?

　进程切换时，操作系统必须对它控制的各种数据结构做什么?

　何时切换进程

　通常，下列原因可能造成进程切换。

　模式切换

　如果存在一个未处理的中断，处理器会做以下工作：

　把程序计数器置成中断处理程序的开始地址。

　从用户模式切换到特权模式，使得中断处理代码可以包含有特权的指令。

　进程的状态变化

　如果当前正在运行的进程被转换到另外一个状态(就绪、挂起等)，则操作系统必须使其环境发生实质性的变化：

　保存处理器的上下文环境，包括程序计数器和其他寄存器。

　更新当前处于运行态进程的进程控制块，包括将进程状态改变到另外一个状态。

　将进程的进程控制块移到相应的队列。

　选择另一个进程执行。

　更新所算则进程的进程控制块。

　更新内存管理的数据结构。

　恢复处理器在被选择的进程最近一次切换出运行状态时的上下文环境。

计算机原理的系统构成

计算机系统构成

由上图我们可以看出，计算机系统包含硬件系统和软件系统，硬件系统是计算机的基础，软件系统是计算机的上层建筑。一个完整的计算机系统必须包含硬件系统和软件系统，只有硬件系统没有软件系统的机器叫裸机。 硬件系统一般包括：微处理器（CPU）、内存储器、输入/输出接口、系统总线、外部设备。

其中，各部件之间的信号传输要通过系统总线来完成。系统总线

CPU

1、微处理器（CPU） CPU是电脑系统的心脏，电脑特别是微型电脑的快速发展过程，实质上就是CPU从低级向高级、从简单向复杂发展的过程。

CPU（Central Processing Unit）又叫中央处理器，其主要功能是进行运算和逻辑运算，内部结构大概可以分为控制单元、算术逻辑单元和存储单元等几个部分。按照其处理信息的字长可以分为：八位微处理器、十六位微处理器、三十二位微处理器以及六十四位微处理器等等。

主流的CPU都是由AMD公司和Intel公司生产提供的。如AMD Athlon64 X2 5000+AM2、Intel Core 2 Duo E7200等。

2、内存储器和辅助存储器

内存储器简单的说就是我们通常说的内存。辅助存储器简单的说就是指硬盘和光驱。

内存

3、输入/输出接口

I/O接口

IDE接口，一般用于连接硬盘和光驱，这个接口逐渐被SATA接口所代替；SCSI接口主要是用作连接SCSI接口的硬盘；USB接口一种通用万能插口，支持热插拔；IEEE 1394接口比USB接口提供了更高的速率，同时也支持热插拔。AGP接口，主要是用来连接显卡，但是随着技术的发展，逐渐被PCI-E接口所取代。

4、系统总线

总线一般有两类：一类是连接计算机内部各模块的总线，如连接CPU、存储器和I/O接口的总线，常用的有ISA总线、EISA总线、PCI总线等；另一类为系统之间或系统与外部设备之间连接的总线，常用的有EIA-RS232C串行总线和IEEE-488并行总线等。

5、外部设备

外部设备 一般包括键盘、鼠标、显示器、打印机等。

6、运算器

运算器又称积极态度逻辑单元ALU（Arithmetic Logic Unit）。运算器的主要任务是执行各种算术运算和逻辑运算。算术运算是指各种数值运算，比如：加、减、乘、除等。逻辑运算是进行逻辑判断的非数值运算，比如：与、或、非、比较、移位等。计算机所完成的全部运算都是在运算器中进行的，根据指令规定的寻址方式，运算器从存储或寄存器中取得操作数，进行计算后，送回到指令所指定的寄存器中。运算器的核心部件是加法器和若干个寄存器，加法器用于运算，寄存器用于存储参加运算的各种数据以及运算后的结果。 软件系统包括：系统软件和应用软件

1、系统软件

Windows 系列、 Linux系列等

系统软件包括：操作系统、服务型程序、语言处理程序。

2、应用软件

应用软件包括：定制应用软件和通用应用软件。