20140501-大学计算机第5讲-现代计算机-复杂环境下程序执行

现代计算机系统的构成ResearchCenteronIntelligentComputingforEnterprises&Services,HarbinInstituteofTechnology战德臣哈尔滨工业大学教授.博士生导师教育部大学计算机课程教学指导委员会委员OKZhanDCOKZhanDC战德臣教授现代计算机系统的构成(1)现代计算机系统包括了什么?现代计算机系统由硬件、软件、数据和网络构成网络改变着人们的工作、生活甚至是思维习惯数据是根本内存软件连接着一切，软件控制着一切CPU各种电路板主电路板主机箱输出设备输入设备软件正在占领全世界网络数据软件硬件--外部设备硬件--主电路板/接口电路板硬件--核心输入输出设备战德臣教授计算机硬件由主机和外部设备两大部分构成。现代计算机系统的构成(2)个人计算机是一种什么结构?战德臣教授主机主电路板接口电路板现代计算机系统的构成(2)个人计算机是一种什么结构?战德臣教授个人计算机的本质:冯.诺依曼计算机现代计算机系统的构成(2)个人计算机是一种什么结构?战德臣教授计算机硬件(裸机)操作系统：Unix,Linux,Windows,iOS,Android语言处理系统工具软件数据库管理系统应用程序/软件包嵌入式/移动式(设备裸机)中间件，如应用服务器CloudOS,MobileOSCloudApplication网络化/互联化—其他硬件现代计算机系统的构成(3)软件起什么作用?计算机软件由系统软件和应用软件两大类构成:系统软件是用于对计算机进行管理、控制、维护，或者编辑、制作、加工用户程序的一类软件。应用软件则是用于解决各种实际问题、进行业务工作的软件WebSphereWebLogicTomcatOSGiGAE…...OracleSQLServerDB2HadoopGFS…...C/C++/VisualC++Java,Php,JSPPythonFORTRANBASIC/VBPASCAL……VMWareVSPhereXENOpenCloudOpenStackAmazonEC2Eucalyptus战德臣教授操作系统OS:分时OS,实时OS,网络OS,并行OS,移动OS,云OS,…中间件，如应用服务器,消息中间件,流程中间件,服务中间件,…硬件(裸机)嵌入式/移动式(设备裸机)网络化/互联化—其他硬件工具软件语言处理系统数据库管理系统计算机辅助设计与制造软件CAx企业管理软件ERP&SCM电子商务各类软件，网上购物各类在线与非在线娱乐软件计算类软件-生物计算、化学计算等嵌入类软件-车辆、机床等设备云大数据服务智能移动各行业、各领域企业的计算系统；面向家庭、社会和政府的计算系统系统软件应用软件计算机：硬件vs.软件现代计算机系统的构成(3)软件起什么作用?战德臣教授网络数据计算机系统应用软件系统软件硬件现代计算机系统的构成(4)小结?现代计算机的存储体系ResearchCenteronIntelligentComputingforEnterprises&Services,HarbinInstituteofTechnology战德臣哈尔滨工业大学教授.博士生导师教育部大学计算机课程教学指导委员会委员OKZhanDCOKZhanDC战德臣教授冯.诺依曼计算机解决了：程序装载在内存，便可被CPU执行现代计算机的存储体系(1)回顾:冯.诺依曼计算机还有什么问题?永久存储问题?存储容量问题?存储速度问题?存储器价格问题?战德臣教授内存：RAM/ROM地址：存储单元1、2、4或8个字节外存：硬盘/软盘盘面:磁道:扇区一个扇区存放512个字节。现代计算机的存储体系(2)什么是内存?什么是外存?它们在计算机系统中的作用是什么?内存(主存)vs.外存(辅存)战德臣教授存储体系现代计算机的存储体系(3)什么是存储体系?存储体系要解决什么矛盾?不同性能资源的组合优化算术逻辑单元控制单元寄存器CPU按存储单元读写按存储块进行交换内存或主存(RAM)外存(硬盘/软盘/光盘)ROM特性：速度慢、价格低、容量大、永久保存；特性：速度快、价格高、容量小、非永久存储；统一的、自动的管理战德臣教授需要一个资源管理者---操作系统现代计算机的存储体系(4)存储体系环境下，程序怎样被执行?存储体系算术逻辑单元控制单元寄存器CPU按存储单元读写按存储块进行交换内存或主存(RAM)外存(硬盘/软盘/光盘)ROM程序如何存储在外存上面?程序如何装载到内存中?装载到哪里?程序如何被CPU执行?CPU执行哪个程序?源程序机器语言程序编译战德臣教授内存外存CPU现代计算机的存储体系(5)小结?临时存储按地址访问-按存储单元速度快-价格高半导体材料制作永久存储顺序访问-按块速度慢-价格低磁性材料制作按块交换以批量换速度按存储单元读取所有内容需装入内存，才能被处理所有内容需存入外存，才能永久保存寄存器ROMRAM战德臣教授现代计算机的存储体系(6)在“复杂环境下程序执行的基本思维”中的位置?基本目标:理解现代计算机系统的工作思维基本思维：存储体系磁盘存取操作系统作业与进程程序执行的管理与控制；资源组合利用体系化、管理分工合作协同化、外存程序内存进程化、硬件不足功能软件化操作系统对计算机资源的分工-合作与协同管理思想ResearchCenteronIntelligentComputingforEnterprises&Services,HarbinInstituteofTechnology战德臣哈尔滨工业大学教授.博士生导师教育部大学计算机课程教学指导委员会委员OKZhanDCOKZhanDC战德臣教授算术逻辑单元控制单元寄存器CPU按存储单元读写按存储块进行交换内存或主存(RAM)外存(硬盘/软盘/光盘)ROM程序如何存储在外存上面?程序如何装载到内存中?装载到哪里?程序如何被CPU执行?CPU执行哪个程序?源程序机器语言程序编译操作系统对计算机资源的分工-合作与协同管理思想(1)复杂环境下的程序执行问题--操作系统的提出?操作系统OS(1)管理内存/外存/CPU资源(2)完成应用程序的执行战德臣教授操作系统计算机硬件用户操作系统对计算机资源的分工-合作与协同管理思想(2)什么是操作系统?操作系统的作用是什么?操作系统(OperatingSystem:OS)是控制和管理计算机系统各种资源(硬件资源、软件资源和信息资源)、合理组织计算机系统工作流程、提供用户与计算机之间接口以解释用户对机器的各种操作需求并完成这些操作的一组程序集合，是最基本、最重要的系统软件。操作系统的作用：操作系统是用户与计算机硬件之间的接口。操作系统为用户提供了虚拟机(VirtualMachine)。操作系统是计算机系统的资源管理者。战德臣教授操作系统是一组“管理各种资源以便执行应用程序”的程序操作系统本身的程序是如此做出来的：(1)分工。独立管理复杂环境中的每个部件。操作系统对计算机资源的分工-合作与协同管理思想(3)操作系统是如何实现复杂性控制的?ALUCU寄存器CPU按存储字寻址访问按存储块寻址访问内存RAM磁盘ROM磁盘管理---管理磁盘信息的读写内存管理---管理内存空间的分配与回收CPU管理---调度CPU去执行哪一个程序战德臣教授操作系统是一组“管理各种资源以便执行应用程序”的程序操作系统本身的程序是如此做出来的：(1)分工。独立管理复杂环境中的每个部件。(2)合作。以任务为驱动，中心任务就是“让计算机或者说CPU执行存储在外存上的程序”,各部件合作完成该任务。(3)协同。当基本解决后，关键就是协同，“合作”和“同步”,“自动化”及“最优化”。操作系统对计算机资源的分工-合作与协同管理思想(3)操作系统是如何实现复杂性控制的?ALUCU寄存器CPU按存储字寻址访问按存储块寻址访问内存RAM磁盘ROM如何将程序装载到内存?装载到哪里?如何调度CPU执行该程序?如何找到存储在外存上面的程序?任务、作业与进程管理---管理一个程序执行中的各项工作战德臣教授操作系统对计算机资源的分工-合作与协同管理思想(4)小结?ALUCU寄存器CPU按存储字寻址访问按存储块寻址访问内存RAM磁盘ROM如何将程序装载到内存?装载到哪里?如何调度CPU执行该程序?如何找到存储在外存上面的程序?操作系统OS分工：独立管理分工：独立管理分工：独立管理合作-协同：联合管理分工-合作-协同：是化简复杂问题，进行复杂问题求解的重要思维战德臣教授操作系统对计算机资源的分工-合作与协同管理思想(5)在“复杂环境下程序执行的基本思维”中的位置?基本目标:理解现代计算机系统的工作思维基本思维：存储体系磁盘存取操作系统作业与进程程序执行的管理与控制；资源组合利用体系化、管理分工合作协同化、外存程序内存进程化、硬件不足功能软件化操作系统对几种资源的分工管理ResearchCenteronIntelligentComputingforEnterprises&Services,HarbinInstituteofTechnology战德臣哈尔滨工业大学教授.博士生导师教育部大学计算机课程教学指导委员会委员OKZhanDCOKZhanDC战德臣教授操作系统对几种资源的分工管理(1)回顾：分工管理概述?ALUCU寄存器CPU按存储字寻址访问按存储块寻址访问内存RAM磁盘ROM磁盘管理---管理磁盘信息的读写内存管理---管理内存空间的分配与回收CPU管理---调度CPU去执行哪一个程序内存外存CPU战德臣教授操作系统对几种资源的分工管理(2)操作系统是如何管理磁盘的?化整为零，还零为整文件A磁盘文件B文件A磁盘管理化整为零，还零为整的问题是什么战德臣教授外存：硬盘/软盘/光盘盘面:磁道:扇区一个扇区存放512个字节一个磁盘块=若干个扇区(注：随不同操作系统而有差异，8、16、64或更大的2的幂次数)操作系统对几种资源的分工管理(3)磁盘空间的划分?1234567890012345磁盘簇块(扇区的倍数)个位十位战德臣教授文件分配表FAT操作系统对几种资源的分工管理(4)磁盘空间的管理?文件A------17……01234598765432102624325547End9876543210012345个位十位文件A起始尾部磁盘簇块文件夹(目录)战德臣教授文件分配表FAT操作系统对几种资源的分工管理(4)磁盘空间的管理?文件A------17……文件B------1201234598765432102624325547End9876543210012345个位十位文件A起始尾部磁盘簇块文件夹(目录)GFEDCBA文件B起始尾部GFEDCBA213544052837End战德臣教授操作系统用户信息/程序文件A文件A文件B文件C操作系统对几种资源的分工管理(5)操作系统是如何管理磁盘的?文件分配表FAT磁盘簇块文件夹(目录)信息/程序文件磁盘战德臣教授磁盘扇区的存储内容：以十六进制显示每一字节的0/1信息(专用软件进行读取)。文件内容：以文本文件阅读器打开并显示的文本文件的内容，每一字节按ASCII码解读(“记事本”打开)。文件目录(文件夹)及文件名(操作系统管理)操作系统对几种资源的分工管理(6)磁盘的几个重要区域的示意战德臣教授NTFS系统的主文件表MFT，即文件分配表磁盘的四个主要区域•保留扇区•文件分配表区域•根目录区域•数据区域??请用相应软件查询一张磁盘的保留扇区、文件分配表扇区和根目录扇区？并依据相关信息依次读取一个文件的相关扇区内容并解析！操作系统对几种资源的分工管理(6)磁盘的几个重要区域的示意战德臣教授计算机病毒攻击的目标操作系统对几种资源的分工管理(7)磁盘上的区域受到病毒攻击后会产生什么后果?战德臣教授内存为什么要管理?Dm-1,…,D0存储单元个数：2n由An-1,…,A1,A0等n位二进制数编码每一个地址内存被分成不同的块(或页)，一般而言，内存的一页和磁盘的一块相等或为其倍数。操作系统对几种资源的分工管理(8)内存管理管什么?一个房间(里面可有很