大學計算機第4講-現(xiàn)代計算機-復雜環(huán)境下程序執(zhí)行

大學計算機第4講-現(xiàn)代計算機-復雜環(huán)境下程序執(zhí)行第一頁，共49頁?；灸繕?

理解現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的工作思維基本思維：存儲體系磁盤存取操作系統(tǒng)作業(yè)與進程程序執(zhí)行的管理與控制；資源組合利用體系化、管理分工合作協(xié)同化、外存程序內(nèi)存進程化、硬件不足功能軟件化內(nèi)容提要第二頁，共49頁?，F(xiàn)代計算機系統(tǒng)的構成----硬件、軟件、數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡2.3現(xiàn)代計算機：復雜環(huán)境下程序的執(zhí)行2.3.1現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的構成第三頁，共49頁。2.3.1現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的構成現(xiàn)代計算機系統(tǒng)包括了什么?現(xiàn)代計算機系統(tǒng)由硬件、軟件、數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡構成第四頁，共49頁。計算機硬件由主機和外部設備兩大部分構成。個人計算機是一種什么結構?個人計算機第五頁，共49頁。主電路板接口電路板個人計算機第六頁，共49頁。個人計算機本質(zhì)：馮.諾依曼計算機第七頁，共49頁。計算機硬件(裸機)操作系統(tǒng)：Unix,Linux,Windows,iOS，Android語言處理系統(tǒng)工具軟件數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)應用程序/軟件包嵌入式/移動式(設備裸機)中間件，如應用服務器CloudOS,MobileOSCloudApplication網(wǎng)絡化/互聯(lián)化—其他硬件軟件起什么作用?計算機軟件由系統(tǒng)軟件和應用軟件兩大類構成:系統(tǒng)軟件是用于對計算機進行管理、控制、維護，或者編輯、制作、加工用戶程序的一類軟件。應用軟件則是用于解決各種實際問題、進行業(yè)務工作的軟件WebSphereWebLogicTomcatOSGiGAE…...OracleSQLServerDB2HadoopGFS…...C/C++/VisualC++Java,Php,JSPPythonFORTRANBASIC/VBPASCAL……VMWareVSPhereXENOpenCloudOpenStackAmazonEC2Eucalyptus第八頁，共49頁。現(xiàn)代計算機的存儲體系----內(nèi)存vs.外存vs.存儲體系----存儲體系環(huán)境下程序執(zhí)行面臨的問題現(xiàn)代計算機：復雜環(huán)境下程序的執(zhí)行2.3.2現(xiàn)代計算機的存儲體系第九頁，共49頁。馮.諾依曼計算機(前講)解決了：程序裝載在內(nèi)存，便可被CPU執(zhí)行前講的馮.諾依曼計算機還有什么問題?永久存儲問題?存儲容量問題?存儲速度問題?存儲器價格問題?第十頁，共49頁。內(nèi)存：RAM/ROM地址：存儲單元1、2、4或8個字節(jié)外存：硬盤/軟盤盤面:磁道:扇區(qū)一個扇區(qū)存放512個字節(jié)。什么是內(nèi)存?什么是外存?它們在計算機系統(tǒng)中的作用是什么?內(nèi)存(主存)與外存(輔存)第十一頁，共49頁。存儲體系什么是存儲體系?存儲體系要解決什么矛盾?不同性能資源的組合優(yōu)化算術邏輯單元控制單元寄存器CPU按存儲單元讀寫按存儲塊進行交換內(nèi)存或主存(RAM)外存(硬盤/軟盤/光盤)ROM特性：速度慢、價格低、容量大、永久保存；特性：速度快、價格高、容量小、非永久存儲；第十二頁，共49頁。需要一個資源管理者---操作系統(tǒng)存儲體系環(huán)境下，程序怎樣被執(zhí)行?存儲體系算術邏輯單元控制單元寄存器CPU按存儲單元讀寫按存儲塊進行交換內(nèi)存或主存(RAM)外存(硬盤/軟盤/光盤)ROM程序如何存儲在外存上面?程序如何裝載到內(nèi)存中?裝載到哪里?程序如何被CPU執(zhí)行?CPU執(zhí)行哪個程序?源程序機器語言程序編譯第十三頁，共49頁。核心軟件系統(tǒng)：操作系統(tǒng)----操作系統(tǒng)的作用----復雜環(huán)境下資源管理----資源管理下的程序執(zhí)行----分工、合作與協(xié)同核心軟件系統(tǒng)：操作系統(tǒng)第十四頁，共49頁。操作系統(tǒng)計算機硬件用戶2.3.3核心軟件系統(tǒng)----操作系統(tǒng)什么是操作系統(tǒng)?操作系統(tǒng)的作用是什么?操作系統(tǒng)是控制和管理計算機系統(tǒng)各種資源(硬件資源、軟件資源和信息資源)、合理組織計算機系統(tǒng)工作流程、提供用戶與計算機之間接口以解釋用戶對機器的各種操作需求并完成這些操作的一組程序集合，是最基本、最重要的系統(tǒng)軟件。操作系統(tǒng)的作用：

操作系統(tǒng)是用戶與計算機硬件之間的接口。

操作系統(tǒng)為用戶提供了虛擬機(VirtualMachine)。

操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)的資源管理者。第十五頁，共49頁。操作系統(tǒng)是一組“管理各種資源以便執(zhí)行應用程序”的程序操作系統(tǒng)本身的程序是如此做出來的：(1)分工。獨立管理復雜環(huán)境中的每個部件。操作系統(tǒng)是如何實現(xiàn)復雜性控制的?磁盤管理---管理磁盤信息的讀寫內(nèi)存管理---管理內(nèi)存空間的分配與回收CPU管理---調(diào)度CPU去執(zhí)行哪一個程序第十六頁，共49頁。操作系統(tǒng)是一組“管理各種資源以便執(zhí)行應用程序”的程序操作系統(tǒng)本身的程序是如此做出來的：(1)分工。獨立管理復雜環(huán)境中的每個部件。(2)合作。以任務為驅(qū)動，中心任務就是“讓計算機或者說CPU執(zhí)行存儲在外存上的程序”,各部件合作完成該任務。(3)協(xié)同。當基本解決后，關鍵就是協(xié)同，“合作”和“同步”

,“自動化”及“最優(yōu)化”。任務、作業(yè)與進程管理---管理一個程序執(zhí)行中的各項工作第十七頁，共49頁。操作系統(tǒng)對資源的分工管理----磁盤管理：化整為零與還零為整----內(nèi)存管理----CPU管理/處理機管理現(xiàn)代計算機：復雜環(huán)境下程序的執(zhí)行2.3.4操作系統(tǒng)對資源的分工管理第十八頁，共49頁。磁盤管理：化整為零和還零為整----文件-文件夾/目錄-文件分配表-磁盤簇塊/扇區(qū)操作系統(tǒng)用戶信息/程序文件A文件A文件B文件C外存(硬盤/軟盤/光盤)2.3.4操作系統(tǒng)對資源的分工管理操作系統(tǒng)是如何管理磁盤的?第十九頁，共49頁。磁盤管理的重要概念文件(文件名與文件內(nèi)容)磁盤扇區(qū)、磁盤塊文件夾(目錄)文件分配表磁盤扇區(qū)的存儲內(nèi)容：以十六進制顯示每一字節(jié)的0/1信息(專用軟件進行讀取)。文件內(nèi)容：以文本文件閱讀器打開并顯示的文本文件的內(nèi)容，每一字節(jié)按ASCII碼解讀(“記事本”打開)。文件目錄(文件夾)及文件名(操作系統(tǒng)管理)磁盤管理的幾個重要概念是什么?文件內(nèi)容及磁盤扇區(qū)存儲示例第二十頁，共49頁。NTFS系統(tǒng)的主文件表MFT,即文件分配表磁盤的四個主要區(qū)域保留扇區(qū)文件分配表區(qū)域根目錄區(qū)域數(shù)據(jù)區(qū)域??請用相應軟件查詢一張磁盤的保留扇區(qū)、文件分配表扇區(qū)和根目錄扇區(qū)？并依據(jù)相關信息依次讀取一個文件的相關扇區(qū)內(nèi)容并解析！磁盤上的幾個重要區(qū)域分別是什么?磁盤的重要區(qū)域第二十一頁，共49頁。計算機病毒攻擊的目標磁盤上的區(qū)域受到病毒攻擊后會產(chǎn)生什么后果?第二十二頁，共49頁。講了什么?算術邏輯單元控制單元寄存器CPU按存儲單元讀寫按存儲塊進行交換內(nèi)存或主存(RAM)外存(硬盤/軟盤/光盤)ROM程序如何存儲在外存上面??程序如何裝載到內(nèi)存中?裝載到哪里?程序如何被CPU執(zhí)行?CPU執(zhí)行哪個程序?源程序機器語言程序編譯第二十三頁，共49頁。講了什么?算術邏輯單元控制單元寄存器CPU按存儲單元讀寫按存儲塊進行交換內(nèi)存或主存(RAM)外存(硬盤/軟盤/光盤)ROM程序如何裝載到內(nèi)存中?裝載到哪里?程序如何被CPU執(zhí)行?CPU執(zhí)行哪個程序?磁盤與文件管理第二十四頁，共49頁。內(nèi)存管理Dm-1,…,D0存儲單元個數(shù)：2n由An-1,…,A1,A0等n位二進制數(shù)編碼每一個地址內(nèi)存被分成不同的塊(或頁)，一般而言，內(nèi)存的一頁和磁盤的一塊相等或為其倍數(shù)。內(nèi)存管理管什么?第二十五頁，共49頁。內(nèi)存儲器分工：操作系統(tǒng)對內(nèi)存的管理與控制---使用哪一段內(nèi)存內(nèi)存空間分配內(nèi)存回收內(nèi)存與外存信息的自動交換內(nèi)存空間管理內(nèi)存中的程序1000001段內(nèi)存運算器控制器CPU狀態(tài)與管控內(nèi)存管理內(nèi)存空間管理內(nèi)存空間分配內(nèi)存與外存信息的自動交換內(nèi)存空間回收第二十六頁，共49頁。CPU管理/處理機管理CPU管理/處理機管理-管什么?內(nèi)存中待執(zhí)行程序段落的地址送控制器的PC(程序計數(shù)器)內(nèi)存中的多個程序，執(zhí)行哪一個程序?程序執(zhí)行切換中的狀態(tài)/環(huán)境保護問題第二十七頁，共49頁。操作系統(tǒng)對資源的合作與協(xié)同管理----程序vs.進程----任務vs.作業(yè)vs.進程----操作系統(tǒng)進程vs.應用程序進程----協(xié)同完成應用程序的執(zhí)行現(xiàn)代計算機：復雜環(huán)境下程序的執(zhí)行2.3.5操作系統(tǒng)對資源的合作與協(xié)同管理第二十八頁，共49頁。幾個需要區(qū)分的---被定義為不同的名字-概念程序(文件)---存儲在磁盤上的程序文件進程—裝入內(nèi)存中的程序2.3.5操作系統(tǒng)對資源的合作與協(xié)同管理什么是程序和進程?程序進程第二十九頁，共49頁。幾個需要區(qū)分的---被定義為不同的名字-概念任務：大粒度的工作，一個應用程序的完整的執(zhí)行。一個任務由多個進程來完成作業(yè)：小粒度的工作，不同的作業(yè)由不同的進程來完成什么是任務-作業(yè)和進程?程序進程作業(yè)第三十頁，共49頁。幾個需要區(qū)分的---被定義為不同的名字-概念操作系統(tǒng)的進程：為使應用程序順利執(zhí)行而做的輔助性管理性工作的進程。操作系統(tǒng)的進程也存儲在內(nèi)存中，也需要調(diào)度CPU來執(zhí)行；CPU在操作系統(tǒng)進程和多個應用程序進程之間來回切換應用程序的進程：應用程序本身的進程操作系統(tǒng)進程和應用程序進程是一種什么關系?應用程序的進程操作系統(tǒng)的進程第三十一頁，共49頁。進程管理應用程序的執(zhí)行過程及其管理?第三十二頁，共49頁。協(xié)同完成“應用程序執(zhí)行”協(xié)同完成“應用程序執(zhí)行”這一任務的邏輯步驟是怎樣的?第三十三頁，共49頁。協(xié)同完成“應用程序執(zhí)行”協(xié)同完成“應用程序執(zhí)行”這一任務的邏輯步驟是怎樣的?第三十四頁，共49頁。計算機系統(tǒng)的工作過程現(xiàn)代計算機：復雜環(huán)境下程序的執(zhí)行2.3.6計算機系統(tǒng)的工作過程第三十五頁，共49頁?？刂婆_電源外存儲器CPUROMRAMROM中程序操作系統(tǒng)應用程序數(shù)據(jù)操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)程序計算機系統(tǒng)工作過程2.3.6計算機系統(tǒng)的工作過程計算機是怎樣裝載操作系統(tǒng)的?應用程序/數(shù)據(jù)第三十六頁，共49頁。操作系統(tǒng)引導過程及命令執(zhí)行過程引導程序基本輸入輸出部分磁盤文件管理部分命令解釋器ROMBIOS用戶鍵入命令內(nèi)部命令直接執(zhí)行外部命令需要找到程序并裝載入內(nèi)存外部命令執(zhí)行磁盤ROM操作系統(tǒng)是如何進入管理狀態(tài)的?第三十七頁，共49頁。操作系統(tǒng)的使用

OS啟動OS關閉初始化系統(tǒng)環(huán)境加載設備驅(qū)動程序加載服務程序等加載系統(tǒng)程序,如程序管理器/命令解釋器等

保存用戶設置關閉服務程序通知其他聯(lián)機用戶保存系統(tǒng)運行狀態(tài)將內(nèi)存內(nèi)容寫回外存中正確關閉相關設備操作系統(tǒng)的啟動和關閉操作系統(tǒng)啟動階段和關閉階段要做哪些事情?第三十八頁，共49頁。操作系統(tǒng)界面：聯(lián)機命令接口要熟悉操作系統(tǒng)提供的各種命令操作系統(tǒng)的兩種界面風格?第三十九頁，共49頁。要熟悉用鼠標和鍵盤操作菜單/對話框的各種方法操作系統(tǒng)界面：圖形用戶界面第四十頁，共49頁?，F(xiàn)代計算機的演進現(xiàn)代計算機：復雜環(huán)境下程序的執(zhí)行2.3.7現(xiàn)代計算機的演進第四十一頁，共49頁。2.3.7現(xiàn)代計算機的演進操作系統(tǒng)如何高效地利用資源?CPU管理---分時一臺主機一個CPU執(zhí)行多個程序(來自于多個用戶的多個終端)ttCPU作業(yè)1作業(yè)2作業(yè)3作業(yè)4操作系統(tǒng)管理著一時間輪盤；按照時間輪盤的時間分區(qū)，輪流讓CPU執(zhí)行若干個程序。由于時間分區(qū)足夠小，所以每個作業(yè)的用戶都認為自己獨占著CPU執(zhí)行執(zhí)行時間分區(qū)第四十二頁，共49頁。CPU管理---并行一臺主機多個CPU執(zhí)行一個程序作業(yè)的第1部分作業(yè)的第2部分作業(yè)的第3部分作業(yè)的拆分與合并CPU1CPU2CPU3CPU4作業(yè)操作系統(tǒng)將一個作業(yè)分解成若干個可并行執(zhí)行的小作業(yè)，由不同的CPU予以執(zhí)行。其中一個CPU負責作業(yè)的拆分與合并工作，如CPU1,如此多CPU并行完成一個作業(yè)操作系統(tǒng)如何高效地利用資源?第四十三頁，共49頁。CPU管理---分布網(wǎng)絡中多臺主機多個CPU執(zhí)行一個任務作業(yè)的拆分與合并CPUCPU作業(yè)一個作業(yè)被一臺機器的操作系統(tǒng)拆分成若干個可分布與并行執(zhí)行的小作業(yè)，通過局域網(wǎng)絡或互聯(lián)網(wǎng)傳送到不同的機器，由不同機器的操作系統(tǒng)控制其CPU予以執(zhí)行。如此網(wǎng)絡上，多臺計算機可并行完成一個作業(yè)。作業(yè)的第1部分作業(yè)的第2部分作業(yè)的第3部分CPUCPUComputerNetwork或Internet網(wǎng)絡傳輸網(wǎng)絡傳輸網(wǎng)絡傳輸網(wǎng)絡傳輸?shù)谒氖捻?，?9頁。個人計算機馮.諾依曼計算機云計算環(huán)境計算系統(tǒng)發(fā)展之重要功勞在于“軟件”,軟件促進環(huán)境發(fā)展,

軟件也在隨環(huán)境的變化而發(fā)展并行分布計算環(huán)境通用計算環(huán)境的進化思維通用計算環(huán)境是如何演化的？第四十五頁，共49頁。云與SaaS是什么？物理機OS:進程執(zhí)行物理機OS物理機OS物理機OS虛擬化OS:將虛擬機上的進程分配到物理機OS上進行執(zhí)行虛擬化OS虛擬化OS虛擬化OS云操作系統(tǒng)(CloudOperatingSystem):跨物理機管理OS:進程OperationProg1…Progn

OSOperationProg1…Progn

OSOperat