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| 序号 | 部件 | 要点 |
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| --- | ------ | ----------------------------------------------------------------------------------------- |
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| 1 | CPU | 为计算机计算和控制的核心单元； |
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| 2 | CPU | 分为复杂指令集和精简指令集（CISC & RISC） |
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| 3 | CPU | CISC以AMD、Intel的X86CPU为代表，RISC以ARM、Power为代表 |
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| 4 | DSP | 专用于实时数字信号处理 |
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| 5 | 存储器 | 存储器是利用半导体、磁、光等介质制成用于存储数据的电子设备 |
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| 6 | 存储器 | 从硬件结构上可分为SRAM（静态随机存储，价格高）、DRAM（静态随机存储，价格低）、NVRAM、Flash、EPROM、Disk等 |
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| 7 | 存储器 | 计算机系统中的存储器采用分层体系结构，通常使用与处理器的物理距离进行划分，分为4个层次 |
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| 8 | 片上缓存 | 在处理器的核心中直接集成的缓存，为内部通用寄存器，使用SRAM结构，容量小，速度快 |
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| 9 | 片外缓存 | 在处理器上核心外部的缓存，需要经过交换互联开关访问，由SRAM构成，容量较片上缓存略大，通常为256kB-4MB，按照层级被称为L2Cache和L3Cache，或统称为Cache |
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| 10 | 主存（内存） | ==采用DRAM==结构，以独立的不见/芯片存在，通过总线与处理器链接，DRAM依赖不断充电维持其中的数据，容量在几百MB到几十GB |
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| 11 | 外存 | 可以是磁带、磁盘、光盘和各类Flash等介质器件，这类设备访问速度慢但容量大，且在掉电后能够保持其数据 |
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从上到下速度越来越慢，成本越来越低，但容量越来越大
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局部性原理（程序的时间局部性和空间局部性，访问多的放在片上）是层次化存储结构的支撑和理论依据
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主存和辅存构成虚拟存储器
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目前计算机三级存储体系为Cache、主存和辅存
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主存数据放置到Cache中的过程由硬件自动完成
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| 指令类型 | 指令 | 寻址方式 | 实现方式 | 其他 |
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| ---- | ------------------------------------------- | ------ | -------------------------- | ------------------- |
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| CISC | 数量多，使用频率相差很大，可变定长（常用到的指令做得短一些，不常用的做得长一些） | 多种寻址方式 | 微程序控制技术 | 周期长，指令直接在主存处理，执行速度慢 |
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| RISC | 数量少，使用频率相近，定长格式，大部分为单周期指令，只有LOAD/STORE 操作内存 | 支持方式少 | 增加了通用寄存器，硬布线逻辑控制为主，适合采用流水线 | 优化编译，对编译要求高，支持高级语言 |
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==Cache是为了解决高速运行的CPU与主存储器间速度不匹配的问题==，Cache中存放的是主存的部分拷贝（副本），它是按照程序中的局部性原理选取出来的最常使用或不久将来仍将使用的内容。
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在计算机的存储系统体系中，Cache是访问速度最快的层次（除了有寄存器的选项出现外选寄存器）
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Cache在改善性能的依据是，程序的局部性原理
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时间局部性：
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程序中的某条指令一旦执行，不久以后该指令可能再次执行
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如：程序中存在的循环操作
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空间局部性
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一旦程序访问量某个存储单元，不久以后，其附近的存储单元也将被访问，即程序在一段时间内所访问的地址可能集中在一定的范围内
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如：顺序执行的程序或数组等
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**cache命中问题**
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CPU在访问内存时，首先判断所要访问的内容是否在Cache中，如果在就称为“命中”，此时CPU直接从Cache中调用该内容
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否则为“不命中”，CPU只能去内存中调用所需的子程序或者指令
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CPU能够直接对Cache进行读写操作，由于Cache非常快，能够使CPU的利用率提高，使整个系统的性能得以提升
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如果以h代表对Cache的访问命中率，t1为Cache的存取时间，t2为主存的访问时间，则Cache的平均访问时间为：ta=h\*t1+（1-h）\*t2
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**总线**
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总线是指计算机部件间遵循某一特定协议实现数据交换的形式，即以一种特定格式按照规定的控制逻辑实现部件间的数据传输
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按照总线在计算机中所处的位置，划分为内总线、系统总线和外部总线
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内总线用于各类芯片内部连接，也叫片上总线（On-Chip Bus）或片内总线
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系统总线是指计算机中CPU、主存、I/O接口的总线
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外部总线是指计算机板和外部设备间或计算机系统之间互联的总线，又称为通信总线
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总线的性能指标通常有：总线贷款、总线服务质量(QoS)、总线时延和总线抖动等
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常见的有串行总线和并行总线
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并行总线：PCI、PCIe、fn、ATA（IDE）等
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串行总线：USB、SATA、CAN、RS-232、RS-485、RapidIO、以太网等
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**接口**
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接口指同一计算机不同功能层之间的通信规则，常见的有：
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显示类接口：HDMI、DVI、PD等
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音频输入输出接口：TRS、RCA、XLR等
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网络接口：RJ45、FC等
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PS/2接口
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USB接口
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SATA接口
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LPT打印接口
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RS-232接口等
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**外部设备**
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常见的外部设备包括：键盘、鼠标、显示器、扫描仪、摄像头、麦克风、打印机、光驱、各类型网卡、各类型存储卡/盘等
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01学习/软件类/理论知识/软考高级系统构架师/录播课/01 第二章 计算机系统基础知识/02 操作系统.md
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01学习/软件类/理论知识/软考高级系统构架师/录播课/01 第二章 计算机系统基础知识/02 操作系统.md
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软件系统指在==计算机硬件系统上运行的程序、相关的文档资料和其他数据的集合==
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计算机软件用来扩充计算机系统的功能，提高计算机系统的效率
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按照软件所起的作用和需要的运行环境不同，通常将计算机软件分为==系统软件==和==应用软件==两大类
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系统软件：是为整个计算机系统配置的不依赖特定应用领域的通用软件，这些软件对计算机系统的硬件和软件资源进行控制和管理，并为用户使用和其他应用软件的运行提供服务
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应用软件：指为了某些应用需要或解决某个特定问题而设计的软件，如图像处理软件、财务软件、游戏软件或其他软件包
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| 层级 | 用户对象 |
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| ----- | -------- |
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| 应用软件 | 应用用户 |
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| 系统软件 | 应用开发人员 |
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| 操作系统 | 操作系统开发人员 |
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| 计算机硬件 | 操作系统开发人员 |
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**操作系统的组成**
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操作系统由：
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操作系统内核（Kernel）
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其他许多附加的配套软件所组成
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包括
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图形用户界面
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常用的应用程序
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支持应用软件开发和运行的各种软件构建
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应用框架
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编译器
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程序库等
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操作系统内核是能提供进程管理（任务管理）、存储管理、文件管理和设备管理等功能的那些软件模块，他们是操作系统中最基本的部分，用于为众多应用程序访问计算机硬件提供服务。内核驻留在内存中，它以CPU的最高优先级运行，能执行指令系统中的特权指令，具有直接访问各种外设和全部主存空间的特权，负责对系统资源进行管理和分配
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**操作系统的作用**
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管理计算机中运行的程序和分配各种软硬件资源
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为用户提供友善的人机界面
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为应用程序的开发和运行提供一个高效率的平台
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操作系统还有辅导用户操作（帮助功能）
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处理软硬件错误
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监控系统性能
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保护系统安全等许多作用
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**操作系统特征（借鉴分时操作系统）**
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并发性：在多道程序环境下，并发性是指在一段时间内，宏观上有多个程序同时运行，但实际在单CPU的运行环境，每一个时刻只有一个程序在执行
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共享性：指在操作系统中的资源被多个并发执行的进程共同使用，而不是被一个进程所独占
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虚拟性：是指把一个物理实体变成逻辑上的多个对应物，或把物理上的多个实体变成逻辑上的一个对应物的技术
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不确定性：在多道程序环境中，允许多个进程并发执行，但由于资源有限，在多数情况下进程的执行不是一贯到底的，而是走走停停的
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| 操作系统 | 要点 |
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| --------- | --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- |
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| 批处理操作系统 | 批处理操作系统分为单道批处理和多道批处理<br>单道批处理：用户可以向系统提交多个作业，一次只有一个作业装入内存执行，一个结束另一个才开始<br>多道批处理：操作系统允许一次多个作业装入内存执行，在任意一个时刻，作业都处于开始点和终止点之间，多道批处理系统主要有三个特点：多道、宏观上并行运行，微观上串行运行 |
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| 分时操作系统 | 分时操作系统是将CPU的工作时间分为许多很短的时间片，轮流为各个终端的用户服务。<br>主要有4个特点：多路性、独立性、交互性和及时性 |
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| 实时操作系统 | 分为实时控制系统和实时信息系统。<br>实时是指计算机对于外来信息能够以==足够快的速度进行处理，并在被控对象允许的时间范围内==做出快速反应。实时操作系统对交互能力的要求不高，但要求可靠性有保障 |
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| 网络操作系统 | 方便而有效得共享资源，为网络用户提供各种服务的软件和有关协议的集合<br>网络操作系统的特征包括硬件独立性和多用户支持等<br>硬件独立性：网络操作系统可以运行在不同的网络硬件上，可以通过网桥或路由器与其他网络连接<br>多用户支持：应能同时支持多个用户对网络的访问，应对信息资源提供完全的安全和保护功能 |
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| 分布式操作系统 | 由多个分散的计算机经连接而成的计算机系统，系统中的计算机无主、次之分，任意两台计算机可通过通信交换信息<br>是网络操作系统的更高级形式，它保持网络系统所拥有的全部功能，同时又有透明性、可靠性和高性能等特性 |
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| 微型计算机操作系统 | 微机操作系统，常用的有Windows、Mac OS、Linux |
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| 嵌入式操作系统 | 是运行在嵌入式智能设备环境中，对整个智能硬件以及它所操作、控制的各种部件装置等资源进行统一协调、处理、指挥和控制，其主要特点如下<br>微型化：从性能和成本角度考虑，希望占用的资源和系统代码量少，如内存少、字长短、运行速度有限、能源少（用微小型电池）<br>可定制：从减少成本和缩短研发周期考虑，要求嵌入式操作系统能运行在不同的微处理平台上，能针对硬件变化进行结构与功能上的配置，以满足不同应用需要<br>实时性：嵌入式操作系统主要应用于过程控制、数据采集、传输通信、多媒体信息及关键要害领域需要迅速响应的场合，所以对实时性要求较高<br>可靠性：系统构件、模块和体系结构必须达到应有的可靠性，对关键要害应用还要提供容错和防故障措施<br>易移植性：为提高系统的易移植性，通常采用硬件抽象层（Hardware Abstraction Level，HAL）和板级支持包（Board Support Package，BSP）的底层设计技术 |
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# 数据库（DataBase，DB）
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数据库是指长期存储在计算机内、有组织的、统一管理的相关数据的集合
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早期数据库种类有3种，分别是层次式数据库、网络式数据库和关系型数据库
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目前最常见的数据库种类分为关系型数据库和非关系型数据库
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根据数据库存储体系分类，还可分为关系型数据库、键值（Key-Value）数据库、列存储数据库、文档数据库和搜索引擎数据库等类型
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1、关系型数据库——二维表
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2、键值数据库——将数据存储为键值对集合，其中键作为唯一标识符
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3、列存储数据库——表中的数据存储形式为列
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4、文档数据库——可以存放并获取文档，常见有XML\JSON\BSON等格式
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5、搜索引擎数据库是应用在搜索引擎领域的数据存储形式，由于搜索引擎会爬取大量的数据，并以特定的格式进行存储，这样在检索的时候才能保证性能最优
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# 文件系统（FileSystem，FS）
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文件是具有符号名的、在逻辑上具有完整意义的一组相关信息项的集合
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文件系统是操作系统中实现文件统一管理的一组软件和相关数据的集合，是专门负责管理和存取文件信息的软件机构
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文件类型
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按文件的性质和用途分类：系统文件、库文件、用户文件
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按信息保存期限分类：临时文件、档案文件、永久文件
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按文件的保护方式分类：只读文件、读写文件、可执行文件和不保护文件
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UNIX系统将文件分为普通文件、目录文件和设备文件（特殊文件）
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常用的文件系统有：FAT、VFAT-NTFS、Ext2和HPFS等
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文件的结构和组织
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文件的逻辑结构：文件的结构是指文件的组织形式，从用户角度看到的文件组织形式称为文件的逻辑结构，文件系统的用户只要知道所需文件的文件名就可以存取文件中的信息，而无需知道这些文件究竟存放在什么地方。
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文件的逻辑结构分为两大类：
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有结构的记录式文件：由一个以上的记录构成的文件
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无结构的流式文件：由一串顺序字符流构成的文件
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文件的物理结构
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从现实角度看，文件在文件存储器中的存放方式为文件的物理结构
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连续结构：顺序结构，它将逻辑上连续的文件信息（如记录）一次存放在连续编号的物理块上，只要知道文件的起始物理块号和文件的长度，就可以很方便地进行文件的存取
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链接结构：串联结构，将逻辑上连续的文件信息存放在不连续的物理块上，每个物理块设有一个指针指向下一个物理块，因此只需要知道文件的第一个物理块号就可以按链指针查找整个文件
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索引结构：采用索引结构时，将逻辑上连续的文件信息存放在不连续的物理块中，系统为每个文件建立一张索引表。索引表记录了文件信息所在的逻辑块号对应的物理块号，并将索引表的起始地址放在与文件对应的文件目录项中
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多个物理块的索引表：
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索引表是在文件创建时由系统自动建立的，并与文件一起存放在同一个文件卷上。根据一个文件大小的不同，其索引表占用的物理块的个数不等，一般占一个或几个物理块。多个物理块的索引表可以有两种组织方式：链接文件和多重索引方式
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文件的存取方法
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文件的存取访问指读/写文件存储器上的一个物理块的方法。通常有顺序存取和随机存取两种方法。顺序存取方法是指对文件中的信息按顺序依次进行读写；随机存取方法是指对文件中的信息可以按任意的次序随机读写。
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文件存储空间管理
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常用的空闲空间管理方法有空闲区表、位示图和空闲块链3种
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空闲区表：将外存空间上的一个连续的未分配区域称为“空闲区”，适用于连续文件结构。
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![[Pasted image 20260304004118.png]]
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位示图：在外存上建立一张位示图（Bitmap），记录文件存储器的使用情况。每一位对应文件存储器上的一个物理块，取值0和1分别代表空闲和占用
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![[Pasted image 20260304004158.png|661]]
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空闲块链：每个空闲物理块中有指向下一个空闲物理块的指针，所有空闲物理块构成一个链表，链表的头指针放在文件存储器的特定位置上（如管理块中），不需要磁盘分配表，节省空间。每次申请空闲物理块只需要根据链表的头指针取出第一个空闲物理块，根据第一个空闲物理的指针可找到第2个空闲物理块，以此类推
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成组链接法：UNIX系统采用的方法，在实现时系统将空闲块分成若干组，每100个空闲块为1组，每组的第1个空闲块登记了下一组空闲块的物理盘块号和空闲块总数，假如某个组的第1个空闲块号等于0，意味着该组是最后一组，无下一组空闲块
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文件共享和保护
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文件共享是指不同用户进程使用同一个文件，它不仅是不同用户完成同一任务所必须的功能，还可以节省大量的主存空间，减少由于文件复制而增加的访问外存次数。
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硬链接：指两个文件目录表目指向同一个索引结点的链接，该链接也称为基于索引结点的链接，硬链接是指向不同文件名与同一个文件实体的链接
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符号链接：指建立新的文件或目录，并与原来文件或目录的路径名进行映射，当访问一个符号链接时，系统通过该映射找到源文件的路径，并对其进行访问。
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文件系统对文件的保护常采用存取控制的方式进行，所谓存取控制就是规定不同的用户对文件的访问具有不同的权限，以防止文件被未经文件主同意的用户访问。
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存取控制矩阵：按个人划分权限，缺点是太大
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存取控制表：按用户分类做权限控制
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用户权限表：改进存取控制矩阵的另一种方法是以用户或用户组为单位将用户可存取的文件集中起来存入表中，这个表就叫用户权限表
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密码：在创建文件时，用户提供一个密码，在文件存入磁盘时用该密码对文件的内容进行加密
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# 计算机网络
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在计算机网络中要实现资源共享及信息交换，必须实现不同系统中的实体通信。两实体想要成功通信，必须要有相同的语言，在计算机网络中称为协议或规程。
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协议指网络中计算机与计算机进行通信时，为了能够实现数据的正常发送与接收，必须要遵循的一些事先约定好的规则，在这些规程中明确规定了通信时的数据格式、数据传送时序及相应的控制信息和应答信号等内容
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常用的网络协议包括：局域网协议（LAN）、广域网协议（WAN）、无线网协议和移动网协议。互联网使用的是Tcp/IP协议簇。
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## 文件系统题型⭐
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某文件系统文件存储采用文件索引节点法。假设文件索引节点中有8个地址项iaddr[0]-iaddr[7]，每个地址项大小为4字节，其中地址项iaddr[0]-iaddr[5]为直接索引，是一级间接索引，是二级间接索引，磁盘索引块和磁盘数据块大小均为4KB。该文件系统可以表示的单个文件最大长度为多少KB?若要访问iclsClient.dll文件的逻辑块号分别为6、520和1030，则系统应分别采用什么索引方式？
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解：
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问题1
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直接索引的6个地址项指向了6个数据块，为6\*4KB=24KB
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一级间接索引的地址指向了一个4KB的索引块，则该索引块中最大包含4KB/4B=1024个地址项，每个索引项指向一个磁盘数据块，总共1024\*4KB=4096KB
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二级间接索引同理最大为1024\*1024\*4KB=4194304KB
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共计能够指向4198424KB数据
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问题2
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直接索引逻辑块号为0-5，一级间接索引逻辑块号为6-1029（1024+6-1），二级间接索引为1030-1049605，所以6和520为一级间接索引，1030为二级间接索引
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某文件管理系统在磁盘上建立了位示图，若磁盘上物理块的编号依次为0,1,2...。系统中的字长为64位，字的编号为0,1,2...。字中的一位对应文件存储器上的一个物理块，假设操作系统将256号物理块分配给某文件，那么该物理块的使用情况在位示图中编号为（）的字中描述，系统应该将该字的（）号位置（）。
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由于字长为64，则256号对应第五个字的第1位，则是编号为4的字中描述，将该字的0号位置“1”
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Reference in New Issue
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