计算机硬件基础(软考-网络中级)
一、数据的标识
1.进制转换
十六进制（H） >> 0x 前缀 0xAB12
二进制(B)
八进制(O)
1.1十进制相关
- R进制转十进制(按权展开)
- 十进制转R进制(短除法)，小数部分乘R取整数(顺取)
- $2^n$快速转换 432
- 236 >> $2^7$ <236<$2^8$ >> 10000000
- 236-$2^7$ = $2^6$ <108 =>108-64 >> 11000000
- 108-$2^6$ = $2^5$<44 => 44-32 >> 11100000
1.2 二进制、八进制、十六进制互转
- 二转八 >>> 三位一转
- 二转十六 >>> 四位一转
2.原码、反码、补码、移码
正数
- 原码 = 反码 = 补码
负数
- 反码 = 除符号位全取反
- 补码 = 反码+1
移码
- 将符号位取反的补码（不区分正负）
在计算机中直接采用补码进行运算。1是因为补码的0是唯一的，2是使用补码进行运算可以带符号位
3.逻辑运算
或、与、非、异或(不相同才为真)
二、计算机结构
冯诺依曼计算机，通过指令完成相应的控制。
指令(存储在主存中)=>操作码+地址码(指令所要执行的操作对象的地址)
1.控制器(对指令进行译码)
补充：寄存器是中央处理器内的组成部份。寄存器是有限存贮容量的高速存贮部件，它们可用来暂存指令、数据和位址。 外存(硬盘)->内存(内存条RAM)->cache->寄存器
- 程序计数器PC：下一条指令的地址
- 指令寄存器IR：正在运行的指令
- 指令译码器：指令的操作码
- 时序部件：指令按时间正确的执行
2.运算器
- 算术逻辑单元ALU：执行算术逻辑运算
- 累加寄存器AC：暂时存放参与算术逻辑运算的操作数或中间结果
- 数据缓冲寄存器：存放从存储单元读取的指令和数据
- 状态条件寄存器：保存由算术指令和逻辑指令运行或测试的结果建立的各种条件码内容
3.总线
- 数据总线：传送数据
- 地址总线：传送地址信息
- 控制总线：传送控制信号
三、指令系统-寻址方式
寻址方式=>根据冯诺依曼计算机的工作原理，需要根据物理地址从内存中取指令和数据。而寻址方式是寻找指令和操作数有效地址的方法。
指令 = 操作码+地址码
- 操作码：指令的性质，(干什么)
- 地址码：操作数在存储单元中的存储地址
可以分为三大类：立即寻址，寄存器寻址和存储器寻址
- 立即寻址：操作数包含在指令中，它作为指令的一部分，跟在操作码后存放在代码段。这种操作数也被称为立即数。速度最快，数据大小受限制。
- 寄存器寻址：操作数在寄存器中，不需要通过访问存储器来取得操作数，所以这种寻址方式的指令执行速度较快。
- 寄存器间接寻址：操作数在存储器中，操作数有效地址在SI、DI、BX、BP这四个寄存器之一中
- 直接寻址：操作数在存储器中，指令直接包含有操作数的有效地址
- 变址寻址：操作数在存储器中，操作数的有效地址由基址寄存器之一的内容与变址寄存器之一的内容相加得到
- 间接寻址：操作数在存储器中，通过地址的地址间接得到
采用不同寻址方式的目的：扩大寻址空间和编程的灵活度
指令系统类型
| 指令系统类型 | 指令(√) | 寻址方式 | 实现方式(√) | 其它 |
|---|---|---|---|---|
| CISC(复杂) | 数量多，使用频率差别大，可变长格式 | 支持多种 | 微程序控制技术 | 使编程工作更加友好 |
| RISC(精简) | 数量少，使用频率接近，定长格式，大部分为单周期指令，操作寄存器，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 | 优化变异，有效支持高级语言 |
Flynn
- 单指令流单数据流（Single Instruction stream and Single Data stream,SISD）。SISD其实就是传统的顺序执行的单处理器计算机，其指令部件每次只对一条指令进行译码，并只对一个操作部件分配数据。流水线方式的单处理机有时也被当作SISD.早期的计算机都是SISD机器，如冯诺.依曼架构，如IBM PC机
- 单指令流多数据流（Single Instruction stream and Multiple Data stream,SIMD）。SIMD以并行处理机（阵列处理机）为代表，并行处理机包括多个重复的处理单元，由单一指令部件控制，按照同一指令流的要求为它们分配各自所需的不同数据。相联处理机也属于这一类。
- 多指令流单数据流（Multiple Instruction stream and Single Data stream,MISD）。MISD具有n个处理单元，按n条不同指令的要求对同一数据流及其中间结果进行不同的处理。一个处理单元的输出又作为另一个处理单元的输入。这类系统实际上很少见到。有文献把流水线看作多个指令部件，称流水线计算机是MISD.
- 多指令流多数据流（Multiple Instruction stream and Multiple Data stream,MIMD）。MIMD是指能实现作业、任务、指令等各级全面并行的多机系统。多处理机属于MIMD.当前的高性能服务器与超级计算机大多具有多个处理机，能进行多任务处理，称为多处理机系统，不论是大规模并行处理机还是对称多处理机，都属于MIMD.
四、流水线(考的较为简单)
-
没有采用流水线执行指令所需时间：$(t_1+t_2+t_3)*n$
-
流水线执行时间：$(t_1+t_2+t_3)+(n-1)*t_1$ 注：$t_1$是流水线周期
-
流水线周期：表示执行时间最长的一段
-
流水线技术指标
- 吞吐率：$Tp=n/TK$ n条指令除于流水线执行时间
- 加速比：$S=Ts/Tk$ Ts没采用流水线的世界；Tk采用流水线的时间
五、主存储器基础
实际的存储器容量，由一片或多片存储芯片配以控制电路构成的。其容量为$W*B$,W是存储单元(word,字)的数量，B表示每个word由多少bit(位)组成。
如某一芯片规格为$w×b$，则组成$W×B$的存储器需要$(W/w)*(B/b)$
例题：
按字节编制，地址从A4000H--CBFFFH，则表示有(A4000H-CBFFFH)+1个字节，即28000H个字节，也就是163840个字节，等于160KB
六、Cache
如果Cache的访问命中率为h，而Cache的访问周期时间为t1，主存的访问周期时间为t2，则整个系统的平均访存时间为$t3=ht1+(1-h)t2$
Cache淘汰算法
- 先进先出算法
- 最近最少使用算法
- 随机算法
七、RAID技术
Raid -Redundant Array of independent Disks，独立磁盘冗余阵列。
RAID是将同一阵列中的多个硬盘视为单一的虚拟硬盘，数据以分段的方式顺序存放于磁盘阵列中。
- 通过对硬盘上的数据进行条带化，实现对数据成块存取，减少硬盘寻道时间，提高数据存取速度
- 对同一阵列中的几块硬盘同时读取，减少硬盘寻道时间，提高数据存取速度
- 通过镜像或者存储奇偶校验信息的方式，实现对数据的冗余保护
1. RAID0技术
应用Data Striping 数据分段技术，将所有硬盘构成一个磁盘阵列，可以同时对多个硬盘做读写操作，不具备备份和容错能力，价格便宜，硬盘使用效率最佳。写入速度快，但是可靠度最差
磁盘利用率100%
2. RAID1技术
RAID1使用DiskMirror(硬盘镜像)技术，就是把一个硬盘的内容同步备份复制到另一个硬盘里，所以具备了备份和容错能力，效率不高，可靠性高
利用率为50%
3. RAID3技术
采用特定的奇偶校验盘的数据分段技术，将用于奇偶校验的数据存到特定磁盘中，具有数据容错能力，可靠性较好
单个磁盘失效时，会产生奇偶盘I/O瓶颈效应
磁盘利用率 = (n-1)/n
4. RAID5技术
分布式奇偶检验的数据分段技术，将用于奇偶校验的数据存放到各个硬盘中，具有数据容错能力，可靠性好
校验值分散在各个盘的不同位置，相当程度分散了负载，故有较好的性能，硬盘利用率=(n-1)/n
5. RAID2.0技术
优势：快速重构；自动负载均衡；系统性能提升；自愈合；
八、系统可靠性
- 失效率：单位时间内发生故障的概率
- 平均无故障时间MTBF：系统发生故障的两个时间间隔的平均值
- 平均故障修复时间MTTR：修复一次故障所需要的平均时间
- 可用性：系统可以无故障运行的概率
