電腦系統

電腦系統

電腦系統由電腦硬體和軟體兩部分組成。硬體包括中央處理機、存儲器外部設備等;軟體是電腦的運行程式和相應的文檔。電腦系統具有接收和存儲信息、按程式快速計算和判斷並輸出處理結果等功能。

  • 中文名稱
    電腦系統
  • 硬體
    中央處理機、存儲器和外部設備
  • 組成
    電腦硬體和軟體
  • 軟 件
    電腦的運行程式和相應的文檔
  • 類別
    系統

簡介

電腦系統電腦系統

按人的要求接收和存儲信息,自動進行資料處理和計算,並輸出結果信息的機器系統。電腦是腦力的延伸和擴充,是近代科學的重大成就之一。

電腦系統由硬體(子)系統和軟體(子)系統組成。前者是借助電、磁、光、機械等原理構成的各種物理部件的有機組合,是系統賴以工作的實體。後者是各種程式和檔案,用于指揮全系統按指定的要求進行工作。

自1946年第一台電子電腦問世以來,電腦技術在元件器件、硬體系統結構、軟體系統、套用等方面,均有驚人進步,現代電腦系統小到微型電腦和個人電腦,大到巨型電腦及其網路,形態、特徵多種多樣,已廣泛用于科學計算、事務處理和過程控製,日益深入社會各個領域,對社會的進步產生深刻影響。

電子電腦分數位和模擬兩類。通常所說的電腦均指數位電腦,其運算處理的資料,是用離散數位量表示的。而模擬電腦運算處理的資料是用連續模擬量表示的。模擬機和數位機相比較,其速度快、與物理設備接口簡單,但精度低、使用困難、穩定性和可靠性差、價格昂貴。故模擬機已趨淘汰,僅在要求回響速度快,但精度低的場合尚有套用。把二者優點巧妙結合而構成的混合型電腦,尚有一定的生命力。

特點

電腦系統的特點是能進行精確、快速的計算和判斷,而且通用性好,使用容易,還能聯成網路。①計算:一切復雜的計算,幾乎都可用電腦通過算術運算和邏輯運算來實現。②判斷:電腦有判別不同情況、選擇作不同處理的能力,故可用于管理、控製、對抗、決策、推理等領域。③存儲:電腦能存儲巨量信息。④精確:隻要字長足夠,計算精度理論上不受限製。⑤快速:電腦一次操作所需時間已小到以納秒計。⑥通用:電腦是可程式的,不同程式可實現不同的套用。⑦易用:豐富的高性能軟體及智慧型化的人-機接口,大大方便了使用。⑧聯網:多個電腦系統能超越地理界限,借助通信網路,共享遠程信息與軟體資源。

組成

圖1為電腦系統的層次結構核心硬體系統,是進行信息處理的實際物理裝置。最外層是使用電腦的人,即使用者。人與硬體系統之間的接口介面是軟體系統,它大致可分為系統軟體支援軟體和套用軟體三層。

硬體

硬體系統主要由中央處理器、存儲器、輸入輸出控製系統和各種外部設備組成。中央處理器是對信息進行高速運算處理的主要部件,其處理速度可達每秒幾億次以上操作。存儲器用于存儲程式、資料和檔案,常由快速的主存儲器(容量可達數百兆位元組,甚至數G位元組)和慢速海量輔助存儲器(容量可達數十G或數百G以上)組成。各種輸入輸出外部設備是人機間的信息轉換器,由輸入-輸出控製系統管理外部設備與主存儲器(中央處理器)之間的信息交換

軟體

軟體分為系統軟體、支撐軟體和套用軟體。系統軟體由作業系統、實用程式、編譯程式等組成。作業系統實施對各種軟硬體資源的管理控製。實用程式是為方便使用者所設,如文本編輯等。編譯程式的功能是把使用者用匯編語言或某種高級語言所編寫的程式,翻譯成機器可執行的機器語言程式。支撐軟體有接口軟體、工具軟體環境資料庫等,它能支持用機的環境,提供軟體研製工具。支援軟體也可認為是系統軟體的一部分。套用軟體是使用者按其需要自行編寫的專用程式,它借助系統軟體和支援軟體來運行,是軟體系統的最外層。

分類

電腦系統可按系統的功能、性能或體系結構分類。

電腦系統電腦系統

① 專用機與通用機:早期電腦均針對特定用途而設計, 具有專用性質。60年代起, 開始製造兼顧科學計算、事務處理和過程控製三方面套用的通用電腦。特別是系列機的出現,標準文本的各種高級程式語言的採用,作業系統的成熟,使一種機型系列選擇不同軟體、硬體配置,就能滿足各行業大小使用者的不同需要,進一步強化了通用性。但特殊用途的專用機仍在發展,例如連續動力學系統的全數位仿真機,超微型的空間專用電腦等。

② 巨型機、大型機、中型機、小型機、微型機:電腦是以大、中型機為主線發展的。60年代末出現小型電腦,70年代初出現微型電腦,因其輕巧、價廉、功能較強、可靠性高,而得到廣泛套用。70年代開始出現每秒可運算五千萬次以上的巨型電腦,專門用于解決科技、國防、經濟發展中的特大課題。巨、大、中、小、微型機作為電腦系統的梯隊組成部分,各有其用途,都在迅速發展。

③ 流水線處理機與並行處理機:在元件、器件速度有限的條件下,從系統結構與組織著手來實現高速處理能力,成功地研製出這兩種處理機。它們均面向ɑiθbi=ci(i=1,2,3,…,n;θ為算符)這樣一組資料(也叫向量)運算。流水線處理機是單指令資料流(SISD)的,它們用重疊原理,用流水線方式加工向量各元素,具有高加工速率。並行處理機是單指令流多資料流(SIMD)的,它利用並行原理,重復設定多個處理部件,同時並行處理向量各元素來獲得高速度(見並行處理電腦系統)。流水和並行技術還可結合,如重復設定多個流水部件,並行工作,以獲得更高性能。研究並行演算法是發揮這類處理機效率的關鍵。在高級程式語言中相應地擴充向量語句,可有效地組織向量運算;或設有向量識別器,自動識別源程式中的向量成分。

一台普通主機(標量機)配一台數組處理器(僅作高速向量運算的流水線專用機),構成主副機系統,可大大提高系統的處理能力,且性能價格比高,套用相當廣泛。

多處理機與多機系統、分布處理系統和電腦網:多處理機與多機系統是進一步發展並行技術的必由之路,是巨型、大型機主要發展方向。它們是多指令流多資料流(MIMD)系統,各機處理各自的指令流(進程),相互通信,聯合解決大型問題。它們比並行處理機有更高的並行級別,潛力大,彈性好。用大量廉價微型機,通過互連網路構成系統,以獲得高性能,是研究多處理機與多機系統的一個方向。多處理機與多機系統要求在更高級別(進程)上研究並行演算法,高級程式語言提供並發、同步進程的手段,其作業系統也大為復雜,必須解決多機間多進程的通信、同步、控製等問題。

分布系統是多機系統的發展,它是由物理上分布的多個獨立而又相互作用的單機,協同解決使用者問題的系統,其系統軟體更為復雜(見分布電腦系統)。

現代大型機幾乎都是功能分布的多機系統,除含有高速中央處理器外,有管理輸入輸出的輸入輸出處理機(或前端使用者機)、管理遠程終端及網路通信通信控製處理機、全系統維護診斷的維護診斷機和從事資料庫管理的資料庫處理機等。這是分布系統的一種低級形態。

多個地理上分布的電腦系統,通過通信線路網路協定,相互聯絡起來,構成電腦網。它按地理上分布的遠近,分為局部(在地)電腦網和遠程電腦網。網路上各電腦可相互共享信息資源和軟硬體資源。訂票系統、情報資料檢索系統都是電腦網套用的實例

⑤ 諾依曼機與非諾依曼機:存儲程式和指令驅動的諾依曼機迄今仍佔統治地位。它順序執行指令,限製了所解問題本身含有的並行性,影響處理速度的進一步提高。突破這一原理的非諾依曼機,就是從體系結構上來發展並行性,提高系統吞吐量,這方面的研究工作正在進行中。由資料流來驅動的資料流電腦以及按歸約式控製驅動和按需求驅動的高度並行電腦,都是有發展前途的非諾依曼電腦系統。

展望

電腦系統約每3~5年更新一次,性能價格比成十倍地提高,體積大幅度減小。超大規模積體電路技術將繼續快速發展,並對各類電腦系統均產生巨大而又深刻的影響。32位微型機已出現,64位微型機也將問世,單片上做1000萬個元件已為時不遠。比半導體積體電路快10~100倍的器件,如砷化鎵、高電子遷移率器件、約瑟夫遜結、光元件等的研究將會有重要成果。提高組裝密度和縮短互連線的微組裝技術是新一代電腦的關鍵技術之一。光纖通信將大量套用。各種高速智慧型化外部設備不斷涌現,光碟的問世將使輔助海量存儲器面目一新。多處理機系統、多機系統、分布處理系統將是引人註目的系統結構。軟體硬化(稱韌體)是發展趨勢。新型非諾伊曼機、推理電腦、知識庫電腦等已開始實際使用。軟體開發將擺脫落後低效狀態。軟體工程正在深入發展。軟體生產正向工程化、形式化、自動化、模組化、集成化方向發展。新的高級語言如邏輯型語言、函式型語言和人工智慧的研究將使人-機接口簡單自然(能直接看、聽、說、畫)。資料庫技術將大為發展。電腦網路將廣泛普及。以巨大處理能力(例如每秒 100~1000億次操作)、巨大知識信息庫、高度智慧型化為特征的下一代電腦系統正在大力研製。電腦套用將日益廣泛。電腦輔助設計、電腦控製的生產線、智慧型機器人將大大提高社會勞動生產力。辦公、醫療、通信、教育及家庭生活,都將電腦化。電腦對人們生活和社會組織的影響將日益廣泛深刻。

工作流程

使用者使用電腦系統算題的一般流程如圖2。

①通過系統操作員建立帳號,取得使用權。帳號既用于識別並保護使用者的檔案(程式和資料),也用于系統自動統計使用者使用資源的情況(記帳,付款)。

②根據要解決的問題,研究演算法,選用合適的語言,編寫源程式,同時提供需處理的資料和有關控製信息。

③把②的結果在脫機的專用設備上放入軟磁碟,建立使用者檔案(也可在在線上終端上進行,直接在輔助存儲器中建立檔案,此時第四步省去)。

④借助軟碟機把軟碟上使用者檔案輸入電腦,經加工處理,作為一個作業,登記並存入輔助存儲器。

⑤是要求編譯。作業系統把該作業調入主存儲器,並調用所選語言的編譯程式,進行編譯和連線(含所調用的子程式),產生機器可執行的目標程式,存入輔助存儲器。

⑥要求運算處理。作業系統把目標程式調入主存儲器,由中央處理器運算處理,結果再存入輔助存儲器

⑦運算結果由作業系統按使用者要求的格式送外部設備輸出。

電腦內部工作(④~⑦)是在作業系統控製下的一個復雜過程。通常,一台電腦中有多個使用者作業同時輸入,它們由作業系統統一調度,交錯運行。但這種調度對使用者是透明的,一般使用者無需了解其內部細節。

使用者可用一台終端,互動式的控製③~⑦的進行(分時方式);也可委托操作員完成③~⑦,其中④~⑦是電腦自動進行的(批處理方式)。批處理方式的自動化程度高,但使用者不直觀,無中間幹預。分時方式使用者直觀控製,可隨時幹預糾錯,但自動化程度低。現代電腦系統大多提供兩種方式,由使用者選用。

作業系統

作業系統是方便使用者、管理和控製電腦軟硬體資源的系統軟體(或程式集合)。 從使用者角度看,作業系統可以看成是對電腦硬體的擴充;從人機互動方式來看,作業系統是使用者與機器的接口;從電腦的系統結構看,作業系統是一種層次、模組結構的程式集合,屬于有序分層法,是無序模組的有序層次調用。作業系統在設計方面體現了電腦技術和管理技術的結合。作業系統在電腦中的地位:

作業系統是軟體,而且是系統軟體。它在電腦系統中的作用,大致可以從兩方面體會:

對內,作業系統管理電腦系統的各種資源,擴充硬體的功能;

對外,作業系統提供良好的人機介面,方便使用者使用電腦。它在整個電腦系統中具有承上啓下的地位。

作業系統是一個大型的軟體系統,其功能復雜,體系龐大。從不同的角度看的結果也不同,正是"橫看成嶺側成峰",下面我們通過最典型的兩個角度來分析一下。

1、從程式員的角度看

正如前面所說的,如果沒有作業系統,程式員在開發軟體的時候就必須陷入復雜的硬體實現細節。程式員並不想涉足這個可怕的領域,而且大量的精力花費在這個重復的、沒有創造性的工作上也使得程式員無法集中精力放在更具有創造性的程式設計工作中去。程式員需要的是一種簡單的,高度抽象的可以與之打交道的設備。

將硬體細節與程式員隔離開來,這當然就是作業系統。

從這個角度看,作業系統的作用是為使用者提供一台等價的擴展機器,也稱虛擬機,它比底層硬體更容易編程。

2、從使用者的角度看

從使用者的角度來看,作業系統則用來管理一個復雜系統的各個部分。

作業系統負責在相互競爭的程式之間有序地控製對CPU、記憶體及其它I/O接口設備的分配。

比如說,假設在一台電腦上運行的三個程式嘗試同時在同一台印表機上輸出計算結果。那麽頭幾行可能是程式1的輸出,下幾行是程式2的輸出,然後又是程式3的輸出等等。最終結果將是一團糟。這時,作業系統採用將列印輸出送到磁碟上的緩沖區的方法就可以避免這種混亂。在一個程式結束後,作業系統可以將暫存在磁碟上的檔案送到印表機輸出。

從這種角度來看,作業系統則是系統的資源管理者。

發展歷史

下面我們結合電腦的發展歷史來回顧一下作業系統的發展歷程。

1、第一代電腦(1945-1955):真空管外掛程式

40年代中期,美國哈佛大學、普林斯頓高等研究院、賓夕法尼亞大學的一些人使用數萬個真空管,構建了世界上第一台電子電腦。開啓電腦發展的歷史。這個時期的機器需要一個小組專門設計、製造、編程、操作、維護每台機器。程式設計使用機器語言,通過插板上的硬連線來控製其基本功能。

這個時候處于電腦發展的最初階段,連程式語言都還沒有出現,作業系統更是聞所未聞!

2、第二代電腦(1955-1965):電晶體和批處理系統

這個時期電腦越來越可靠,已從研究院中走出來,走進了商業套用。但這個時期的電腦主要完成各種科學計算,需要專門的操作人員維護,並且需要針對每次的計算任務進行編程。

第二代電腦主要用于科學與工程計算。使用FORTRAN與匯編語言編寫程式。在後期出現了作業系統的雛形:FMS(FORTRAN監控系統)和IBMSYS(IBM為7094機配備的作業系統)

3、第三代電腦(1965-1980):積體電路晶片多道程式

60年代初,電腦廠商根據不同的套用分成了兩個電腦系列,一個針對科學計算,一個針對商業套用。

隨著電腦套用的深入,對統一兩種套用的電腦需求出現了。這時IBM公司嘗試通過引入System/360來解決這個問題。

與這個計畫配套,IBM公司組織了OS/360作業系統的開發,然後復雜的需求,以及當時軟體工程水準低下使得OS/360的開發工作陷入了歷史以來最可怕的"軟體開發泥潭",誕生了最著名的失敗論著----《神秘的人月》。

雖然這個開發計畫失敗了,但是這個願望卻成為了電腦廠商的目標。

此時,MIT、Bell Lab(貝爾實驗室)和通用電氣公司決定開發一種"公用電腦服務系統"----MULTICS,希望其能同時支持數百名分時使用者的一種機器。結果這個計畫的研製難度超出了所有人的預料,最後這個系統也以失敗結束。不過,MULTICS的思想卻為後來的作業系統很多提示。

60年代未,一位貝爾實驗室曾參加過MULTICS研製工作的電腦科學家Ken Thompson,在一台無人使用的PDP-7機器上開發出了一套簡化的、單使用者版的MULTICS。後來導致了UNIX作業系統的誕生。

UNIX作業系統主導了小型機、工作站以及其他市場。也是至今最有影響力的作業系統之一,而Linux也是UNIX系統的一種衍生,下一講我們將專門介紹一下UNIX的發展歷史。

4、第四代電腦(1980-今):個人電腦

隨著電腦技術的不斷更新與發展,電腦神奇般地闖入了人們的生活,以低廉的價格就可以獲得強大計算能力的電腦。

價格不再是阻攔電腦普及的門檻時,降低電腦的易用性就顯得十分重要!由于UNIX系統的本身特點,使得其不太適合于在運行在個人電腦上,這時就需要一種新的作業系統。

在這一歷史關鍵時候,IBM公司由于低估了PC機的市場,並未使用最大的力量角逐這一市場,這時Intel公司趁機進入,成為了當今微處理器的老大。同時善于抓住時機的微軟公司的總裁比爾·蓋茨適時地進入了這一領域,用購買來的CP/M搖身一變成為MS-DOS,並憑借其成為個人電腦作業系統領域的霸主。

雖然是蘋果公司在GUI方面先拔頭籌,但由于蘋果公司的不兼容、不開放的市場策略,未能擴大戰果,這時微軟又適時地進入了GUI方面,憑借WINDOWS系統再次稱雄!

作業系統

構成

一般來說,作業系統由以下幾個部分組成:

1)進程調度子系統:

進程調度子系統決定哪個進程使用CPU,對進程進行調度、管理。

2)進程間通信子系統:

負責各個進程之間的通信。

3)記憶體管理子系統:

負責管理電腦記憶體。

4)設備管理子系統:

負責管理各種電腦外設,主要由設備驅動程式構成。

5)檔案子系統:

負責管理磁碟上的各種檔案、目錄。

6)網路子系統:

負責處理各種與網路有關的東西。

結構設計

作業系統有多種實現方法與設計思路,下面僅選取最有代表性的三種做一簡單的敘述。

一、整體式系統

整體式系統結構設計:

這是最常用的一種組織方式,它常被譽為"大雜燴",也可說,整體式系統結構就是"無結構"。

這種結構方式下,開發人員為了構造最終的目標作業系統程式,首先將一些獨立的過程,或包含過程的檔案進行編譯,然後用連結程式將它們連結成為一個單獨的目標程式。

Linux作業系統就是採用整體式的系統結構設計。但其在此基礎上增加了一些形如動態模組載入等方法來提高整體的彈性,彌補整體式系統結構設計的不足。

電腦系統電腦系統

二、層次式系統

層次式系統結構設計:

這種方式則是對系統進行嚴格的分層,使得整個系統層次分明,等級森嚴!這種系統學術味道較濃!實際完全按照這種結構進行設計的作業系統不多,也沒有廣泛的套用。

可以這麽說,現在的作業系統設計是在整體式系統結構與層次式系統結構設計中尋求平衡。

三、微核心系統

微核心系統結構設計:

微核心系統結構設計是近幾年來出現的一種新的設計理念,最有代表性的作業系統有Mach和QNX。

微核心系統,顧名思義就是系統核心很小!比如說QNX的微核心隻負責:

¨ 進程間的通信

¨ 低層的網路通信

¨進程調度

¨ 第一級中斷處理

橫向比較

電腦歷史中出現了許許多多的作業系統,然後大浪淘沙,無情地淘汰了許多,隻留下一些經歷過市場考驗的:

一、桌面作業系統

1)MSDOS:Intelx86系列的PC機上的最早的作業系統,微軟公司產品,曾經統治了這個領域,現在已逐漸被自家兄弟WINDOWS 9x系列所代替,現在除了一些低檔機外已不多見。

2)Windows 9x:微軟公司產品,從Windows 3.x發展而來,現在是基于Intel x86系列的PC機上的主要作業系統,也是現然個人電腦中裝機量最大的作業系統。面向桌面、面向個人使用者。

3)Mac OS:蘋果公司所有,介面友好,性能優異,但由于隻能運行在蘋果公司自己的電腦上而發展有限。但由于蘋果電腦獨特的市場定位,現在仍存活良好。

4)linux:Linux是一種電腦作業系統和它的核心的名字,它也是自由軟體開放原始碼發展中最著名的例子。

嚴格來講,Linux這個詞本身隻表示Linux核心,但在實際上人們已經習慣了用Linux來形容整個基于Linux核心,並且使用GNU 工程各種工具和資料庫的作業系統(也被稱為GNU/Linux)。基于這些組件的Linux軟體被稱為Linux發行版。一般來講,一個Linux發行套件包含大量的軟體,比如軟體開發工具,資料庫,Web伺服器(例如Apache),X Window,桌面環境(比如GNOME和KDE),辦公套件等等。

二、伺服器作業系統

1)UNIX系列:UNIX可以說是源遠流長,是一個真正穩健、實用、強大的作業系統,但是由于眾多廠商在其基礎上開發了有自己特色的UNIX版本,所以影響了整體。在國外,UNIX系統可謂獨樹一幟,廣泛套用于科研、學校、金融等關鍵領域。但由于中國的電腦發展較為落後,UNIX系統的套用水準與國外相比有一定的滯後。

2)Windows NT系列:微軟公司產品,其利用Windows的友好的使用者介面的優勢打進伺服器作業系統市場。但其在整體性能、效率、穩定性上都與UNIX有一定差距,所以現在主要套用于中小企業市場。

3)Novell Netware系列:Novell公司產品,其以極適合于中小網路而著稱,在中國的證券行業市場佔有率極高,而且其產品特點鮮明,仍然是伺服器系統軟體中的長青樹。

4)LINUX系列: Linux是一種自由和開放源碼的類Unix作業系統。目前存在著許多不同的Linux,但它們都使用了Linux核心。Linux可安裝在各種電腦硬體設備中,從手機、平板電腦、路由器和影片遊戲控製台,到台式電腦、大型機和超級電腦。Linux是一個領先的作業系統,世界上運算最快的10台超級電腦運行的都是Linux作業系統。嚴格來講,Linux這個詞本身隻表示Linux核心,但實際上人們已經習慣了用Linux來形容整個基于Linux核心,並且使用GNU 工程各種工具和資料庫的作業系統。Linux得名于電腦業餘愛好者Linus Torvalds。

弗林分類法

弗林(Flynn)分類法是按指令流、資料流及其多倍性分類的。共分四類:

SISD――指令部件隻對一條指令處理,隻控製一個操作部件操作。如一般的串列單處

理機。

SIMD――由單一指令部件同時控製多個重復設定的處理單元,執行同一指令下不同

資料的操作。如陣列處理機

MISD――多個指令部件對同一資料的各個處理階段進行操作。這種機器很少見。

MIMD――多個獨立或相對獨立的處理機分別執行各自的程式、作業或進程。例如多

處理機。

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