网络工程师－计算机硬件基础(第一天)
一、计算机的硬件组成
计算机硬件系统是冯诺依曼体系结构，即计算机由运算器，控制器，存储器，输入设备和输出设备五大组件组成。
- 运算器和控制器组成中央处理器CPU。
- 控制器负责一次访问程序指令，进行指令译码，并协调其他设备，通常由程序计数器PC，指令寄存器，指令译码器，状态/条件寄存器，时序发生器，微操作信号发生器组成。
- 程序计数器PC：用于存放下一条指令所在单元的地址。
- 指令寄存器IR：存放当前从主存读出的正在执行的一条指令。
- 指令译码器：分析指令的操作码，以决定操作的性质和方法。
- 运算器负责完成算术、逻辑运算功能们通常由算术逻辑单元ALU、寄存器、多路转换器、数据总线组成。
例题：
总线是CPU、内存、输入、输出设备传递信息的共用通道，主机的各个部件通过总线相连，外部设备通过相应的接口电路与总线相连，从而形成了计算机硬件系统。
- 数据总线：用于传送数据的信息（双向）
- 地址总线：专门用来传送地址（单向）
- 控制总线：传送控制信息和时序信号（双向）
二、CPU特性
- 指令周期：取出并执行一条指令所需要的时间，也称机器周期。
- 总数周期：指CPU通过总线对存储器或I/O端口进行一次访问（存取一个字节）所需要的时间，也称主振周期。
- 时钟周期：也称为震荡周期，是计算机中最基本的、最小的时间单位，定义为时钟脉冲的倒数。
关系：一个指令周期可以分为一个或多个总线周期，根据指令的不同，需要的总线周期也不同；而一个总线周期又可以分为几个时钟周期，通常是4个时钟周期，有些计算机可能不同。
例题1：
例题2：
三、指令系统基础
指令由操作码和地址码两个部分组成。
- 操作码指出该指令要完成什么操作。
- 地址码提供原始的数据。
在指令系统中用来确定如何提供操作数或者提供操作数地址的方式称为寻址方式和编址方式。
- 立即寻址：直接给出操作数。
- 直接寻址：直接给出操作数地址或所在寄存器号（寄存器寻址）。
- 间接寻址：给出的是指向操作数地址的地址。
- 变址寻址：给出的地址需要与特定的地址值累加从而得出操作数地址。
例题：
四、RISC和CISC
-
CISC（复杂）：数量多，使用频率差别大，可变长格式；适用于小型机。
-
RISC（简单）：数量少，使用频率接近，定长格式；适用于大型机。
五、流水线技术
（1）结论
-
每条指令的执行时间不变
-
每条指令处理结果的时间缩短
-
流水线处理速率最高时=流水线处于满载的稳定状态
-
流水线处理速率最低时=流水线未满载状态
-
为了满足在重叠时间段不同指令的机器周期能够完成指定的操作，将时间段=操作完成的最长时间
-
为了保证一个周期内流水线的输入信号不变，相邻时间段之间必须设置锁存器或寄存器
-
除了指令执行流水线，还有运算操作流水线
（2）相关问题
-
流水线阻塞
-
数据相关产生
-
假设第二条指令需要的操作数是第一条指令运算的结果，那么出现了数据相关
-
-
指令执行时间不同产生
-
程序转移的影响
-
异常情况响应中断
-
（3）流水线计算公式
-
公式：Nt+(K-1)t （N表示段，K表示多少指令，t表示时间）
- 流水线周期为执行时间最长的一段
例题1：
例题2：
例题3：
例题4：
(4)影响流水线的主要因数
- 转移指令：因为前面的转移指令还没有完成，流水线无法确定下一条指令的地址，因此也就无法向流水线中添加指令。
- 共享资源访问的冲突：后一条指令需要使用的数据，与前一条指令发生冲突，或者相邻的指令使用了相同的寄存器。
- 响应中断：当有中断请求时，流水线也会停止。对于这种情况有两种响应方式：
- 精确断点法：立即停止，这种方法能够立即响应中断。
- 不精确断点法：流水线中的指令继续执行，不再新增指令到流水线。
六、存储器的性能
- 存取时间：对于随机存取而言，就是完成一次读/写所花的时间，对于非随机存取，就是将读/写装置移动到目的位置所花的时间。
- 存储器带宽：每秒能访问的位数。通常存储器周期是纳秒级（ns）。计算公式是：1/存储器周期*每周期可访问的字节数。
例题：
存储器周期是200ns，每个周期可访问4B，则带宽=1s/200ns*(4B*8)=160Mbps
- 数据传输率：每秒输入/输出的数据尾数。对于随机存取而言，传输率R=1/存储器周期。
例题：
七、主存储器
例题1：
例题2：
cache（高速缓冲存储器）
例题1：
（2）cache存储器的映射机制
例题：
例题：
（3）cache淘汰算法
当cache数据已满，并且出现未命中情况时，就要淘汰一些老的数据，更新一些新的数据进入cache，选择淘汰哪些数据的方法就是淘汰算法。常见三种如下：
- 随机淘汰算法
- 先进先出淘汰算法（FIFO）
- 最近最少使用淘汰算法（LRU）。注：LRU平均命中率最高。
（4）cache存储器的写操作
在使用cache时，需要保证其数据与主存一致，因此在写cache时要考虑与主存间的同步问题，通常使用一下三种方法：
- 写直达：当cache写命中时，cache与主存同时发生写修改。
- 写回：当CPU对cache写命中时，只修改cache的内容而不立即写入主存，当此行被换出才写回主存。
- 标记法：数据进入cache后，有效位置1，当CPU对改数据修改时要测试其有效位，若为1则直接从cache中取数，否则从主存中取数。
八、RAID（独立磁盘冗余阵列）
把多个相对便宜的磁盘组合起来，成为一个磁盘组，配合数据分散排列的设计，提升数据的安全性和整个磁盘系统效能。
- 利用多磁盘来提高数据传输率。
- 通过数据冗余与校验实现可靠性。
RAID应用的主要技术：分块技术、交叉技术和重聚技术。
（1）RAID 0级（无冗余和无校验的数据分块）
RAID 0原理是把连续的数据分散到多个磁盘上存取，数据请求被多个磁盘并行执行，每个磁盘执行属于自己的那部分数据请求。这种数据上的并行操作充分利用总线的带宽，显著提高磁盘整体存取性能。
- 优点：具有最高的I/O性能和最高的磁盘空间利用率，意管理。
- 缺点：不提供数据冗余，一旦数据损坏，损坏的数据将无法得到恢复。
RAID 0特别适用于对性能要求较高，对数据安全要求低的领域，如图形工作站等，对于个人用户，也是提高硬盘存储性能的绝佳选择。
（2）RAID 1级（磁盘镜像阵列）
由磁盘对组成，每个工作盘都有其对应的镜像盘，上面保存这与工作盘完全相同的数据拷贝，具有最高的安全性，但磁盘空间利用率只有50%。RAID 1主要用于存放系统软件、数据及其他重要文件。
（3）RAID 2级（采用纠错海明码的磁盘阵列）
RAID 2采用海明码纠错技术，用户增加校验盘来提供纠错和验错功能，磁盘驱动器组中的第一个、第二个、第四个……第2^n个磁盘驱动是专门的校验盘，用于校验和纠错，其余的用于存放数据。RAID 2最少用三台磁盘驱动器方能运作。
（4）RAID 3级（采用带奇偶校验的并行传送）
RAID 3把数据分成多个“块”，按照奇偶校验算法存放在N+1个硬盘上，市级数据占用的有效空间为N个硬盘的空间总和，第N+1个硬盘上存储的数据是校验容错信息。当N+1个硬盘中的硬盘出现问题是，从其他N个硬盘中可以恢复原始数据。所以RAID 3，安全性可以得到保障。RAID 3比较适合大文件类型且安全性要求较高的应用，如视频编辑、硬盘播放机和大型数据库等。
（5）RAID 4级（带奇偶校验的独立磁盘结构）
RAID 4和RAID3很像，不同的是，它对数据的访问是按数据块进行的，也就是按照磁盘进行的，每次一个盘。RAID 4使用一块磁盘作为奇偶校验盘，每次写操作都需要访问奇偶校盘，这时奇偶校验盘成为写操作的瓶颈。
（6）RAID 5级（无独立校验盘的奇偶校验码磁盘阵列）
RAID 5把数据和奇偶校验信息存储到组成RAID5的各个磁盘上，并且奇偶校验信息和相对应的数据分别存储于不同的磁盘上。当RAID5的磁盘数据损坏后，利用剩下的数据和相应的奇偶校验信息去恢复被损坏的数据。
RAID5磁盘空间利用率较高：（N-1）/N
RAID4和RAID5使用了独立存取技术，真累中每一个磁盘都相互独立操作，所以I/O请求可以并行处理。该技术非常适合于I/O请求率高的应用，不太适用于高要求数据传输率的应用。
例题1：
（7）RAID 6级（具有独立的数据硬盘与两个独立的分布式校验方案）
（8）RAID 10级
