計(jì)算機(jī)系統(tǒng)知識(shí)-硬件知識(shí)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)知識(shí)-硬件知識(shí)全國計(jì)算機(jī)技術(shù)與軟件專業(yè)技術(shù)資格(水平)網(wǎng)絡(luò)工程師考試大綱知識(shí)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)知識(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)知識(shí)硬件知識(shí)第4頁，共7頁1.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)知識(shí)1.1硬件知識(shí)1.1.1計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)·計(jì)算機(jī)組成(運(yùn)算器,控制器,存儲(chǔ)器,I/O部件)運(yùn)算器:對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，完成算數(shù)邏輯運(yùn)算。通常由算數(shù)邏輯部件(ALU),寄存器,多路轉(zhuǎn)換器,數(shù)據(jù)總線組成.控制器:依次訪問程序指令,進(jìn)行指令譯碼,并協(xié)調(diào)其他設(shè)備.通常由程序計(jì)數(shù)器,指令寄存器,指令譯碼器,狀態(tài)/條件寄存器,時(shí)序發(fā)生器,微操作信號(hào)發(fā)生器等組成.程序計(jì)數(shù)器(PC):每取出一條指令,PC內(nèi)容自動(dòng)增加一個(gè)值,指向下一條要取得指令.指令寄存器(IR):存放當(dāng)前要執(zhí)行的指令.指令譯碼器(ID):對(duì)現(xiàn)行指令進(jìn)行分析,確定指令類型,要完成的操作及尋址方式.時(shí)序發(fā)生器:產(chǎn)生時(shí)序脈沖和節(jié)拍點(diǎn)位控制計(jì)算機(jī)有序的工作.微操作信號(hào)發(fā)生器:綜合各種信號(hào)形成特定的操作序列,完成取指令的執(zhí)行控制.存儲(chǔ)器:具有記憶能力的部件,用來存放程序或數(shù)據(jù).輸入設(shè)備:把程序和原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)中用以表示二進(jìn)制的電信號(hào),輸入到計(jì)算機(jī)內(nèi)存.輸出設(shè)備:把運(yùn)算結(jié)果按照人們要求的形式輸出.·指令系統(tǒng)(指令,尋址方式,CISC,RISC)指令系統(tǒng):一臺(tái)計(jì)算機(jī)的所有指令組成指令系統(tǒng).指令:計(jì)算機(jī)能執(zhí)行的基本操作叫做指令.指令由操作碼和地址碼組成.操作碼:指明操作的類型和性質(zhì).操作碼的位數(shù)決定了指令系統(tǒng)中指令的多少:指令數(shù)=2^操作碼位數(shù)定長操作碼:操作碼的位數(shù)和位置固定不變,通常占據(jù)指令最前面的幾位.擴(kuò)展操作碼:指令較短時(shí),利用某些指令中地址字段減少的位數(shù),擴(kuò)展操作碼的位數(shù).地址碼:指明操作數(shù)(原始的數(shù)據(jù))及運(yùn)算結(jié)果存放的地址.尋址方式:指令中如何提供操作數(shù)或提供操作數(shù)地址,稱為尋址方式或編址方式.操作數(shù)可寄存于:CPU的寄存器(用寄存器名操作),主存儲(chǔ)器(指出存儲(chǔ)單元地址),堆棧(先進(jìn)后出存儲(chǔ)機(jī)制,用棧頂指針SP標(biāo)記當(dāng)前位置),外存儲(chǔ)器,外圍設(shè)備.指令尋址方式(2種):順序?qū)ぶ?把程序首地址賦予PC,根據(jù)PC內(nèi)容從內(nèi)存中取出指令,穩(wěn)定到達(dá)指令寄存器后,PC內(nèi)容自動(dòng)加1,指向下一條指令.轉(zhuǎn)移尋址:若內(nèi)存中取出的指令是轉(zhuǎn)移指令或者轉(zhuǎn)子指令,則修改PC內(nèi)容,指向新的地址執(zhí)行.操作數(shù)尋址方式(5種):立即尋址:指令的地址碼字段給出的不是操作數(shù)的地址而是操作數(shù)本身,執(zhí)行時(shí)間短.直接尋址:指令的地址碼字段直接給出操作數(shù)地址或操作數(shù)所在寄存器號(hào).寄存器尋址:指令的地址碼字段直接給出操作數(shù)所在的寄存器號(hào).寄存器間接尋址:指令的地址碼字段在寄存器中給出.變址尋址:指令的地址碼字段給出的地址需要與特定的地址值累加從而得出操作數(shù)地址.CISC:復(fù)雜指令計(jì)算機(jī),擁有很多且復(fù)雜的指令來提高系統(tǒng)的效率.RISC:精簡指令計(jì)算機(jī),使用少量結(jié)構(gòu)簡單的指令,提高計(jì)算機(jī)性能.RISC的特征:1,精簡指令數(shù)量.2,簡化指令格式.3,幾乎所有指令都在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成.4,采用寄存器操作.5,絕大部分指令采用硬聯(lián)控制實(shí)現(xiàn),只有少編址基礎(chǔ)可以是字節(jié)也可以是字.計(jì)算地址位數(shù),首先應(yīng)該計(jì)算要編址的字或字節(jié)數(shù),然后求2的對(duì)數(shù)可得.·主存配置(主存奇偶校驗(yàn),交叉存取,多極主存,主存保護(hù)系統(tǒng))·高速緩存程序的局部性:在一個(gè)較短時(shí)間內(nèi),對(duì)局部范圍的存儲(chǔ)器訪問頻繁,對(duì)此范圍以外的地址訪問甚少的現(xiàn)象.程序的局部性原理:將訪問集中的內(nèi)容存放在高速緩存上以提高性能.訪問命中率h,使效率1-h,Cache訪問周期t1,主存訪問周期t2平均訪存時(shí)間t3=hxt1+(1-h)xt2Cache地址映射(3種)直接映像:每個(gè)主存頁只能復(fù)制到某一固定的Cache頁.全相聯(lián)映像:主存的每一頁可以映像到Cache的任意一頁.組相聯(lián)映像:主存各頁與Cache的組號(hào)有固定的映像關(guān)系,但可以自由映像到對(duì)應(yīng)的Cache組中的任意一頁.Cache淘汰算法包括隨機(jī)淘汰,先進(jìn)先出(FIFO)淘汰,最近最少使用(LRU)淘汰.命中率最高的是最近最少使用(LRU)淘汰.Cache寫操作寫回法:信息暫時(shí)只寫入Cache,并用標(biāo)志加以注明,直到內(nèi)容需要從Cache中替換(淘汰)出來時(shí),才一次寫入內(nèi)存.特點(diǎn):速度快,容易造成錯(cuò)誤.寫直達(dá)法:信息在寫入Cache時(shí)同時(shí)寫入主存.特點(diǎn):速度慢,不易出錯(cuò).標(biāo)記法·輔存設(shè)備的性能和容量計(jì)算磁帶存儲(chǔ)器順序存儲(chǔ)設(shè)備,存取時(shí)間長,容量大,常用于備份.啟停式:以文件塊的形式存放信息,數(shù)據(jù)塊間有空白塊,其磁道數(shù)等于磁頭數(shù).數(shù)據(jù)流式:串行逐道記錄信息,每次讀寫1位,結(jié)構(gòu)簡單,價(jià)格低,速度快.性能公式數(shù)據(jù)傳輸速率(B/S)=磁帶記錄密度(B/mm)x帶速(mm/s)數(shù)據(jù)塊長度=記錄數(shù)據(jù)所需長度+塊間間隔記錄數(shù)據(jù)所需長度=(字節(jié)數(shù)/記錄)x塊因子/記錄密度讀N條記錄所需時(shí)間=啟停時(shí)間+有效時(shí)間+時(shí)間間隔有效時(shí)間=(Nx字節(jié)數(shù)/記錄)/傳輸速度間隔時(shí)間=塊間隔總長/帶速=[(N/塊化因子)x(塊間間隔)]/帶速磁盤存儲(chǔ)器常見技術(shù)指標(biāo)磁道數(shù)=(外半徑-內(nèi)半徑)x道密度x記錄面數(shù)注意:硬盤的第一面和最后一面是保護(hù)用的,要減掉.n個(gè)雙面盤片的記錄面數(shù)=nx2-2非格式化容量=面數(shù)x(磁道數(shù)/面)x內(nèi)圓周長x最大位密度格式化容量=面數(shù)x(磁道數(shù)/面)x(扇區(qū)數(shù)/道)x(字節(jié)數(shù)/扇區(qū))平均數(shù)據(jù)傳輸速率=每道扇區(qū)數(shù)x扇區(qū)容量x盤片轉(zhuǎn)速存取時(shí)間=尋道時(shí)間+等待時(shí)間尋道時(shí)間:磁頭移動(dòng)到磁道所需的時(shí)間等待時(shí)間:等待讀寫的扇區(qū)轉(zhuǎn)到磁頭下方所用的時(shí)間磁記錄方式磁盤按照某種規(guī)律將一連串二進(jìn)制數(shù)字信息變換成為此戒指上的某個(gè)磁通翻轉(zhuǎn)形式,采用的是串—并行的方式寫入.直接記錄方式歸零制(RZ):每個(gè)波都回到零電平(中間),成為凸字和凹字形.不歸零制(NRZ):用高電平表示1,低電平表示0.不歸零-1制(NRZ-1):見到1就翻轉(zhuǎn),見到0不變.其他方式調(diào)相制(PE):用低到高翻轉(zhuǎn)代表1,用高到低翻轉(zhuǎn)代表0,常用于磁帶機(jī).調(diào)頻制(FM):用有頻率代表1,無頻率代表0.用于早期硬盤.改進(jìn)的調(diào)頻制(MFM):在調(diào)頻制基礎(chǔ)上加上了翻轉(zhuǎn)規(guī)則,廣泛應(yīng)用于硬盤.1.1.3輸入輸出結(jié)構(gòu)和設(shè)備·I/O接口(中斷,DMA,通道,SCSI,并行接口,通用接口總線,RS-232,USB,IEEE1394,紅外線接口,輸入輸出控制系統(tǒng),通道)I/O系統(tǒng)三種工作方式:1,程序控制工作方式輸入輸出完全由CPU控制,在整個(gè)I/O過程中CPU必須等待其完成,限制了CPU的高速能力.I/O設(shè)備的編碼方式1,存儲(chǔ)器映射:I/O設(shè)備和主存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址,使用相同的機(jī)器指令訪問內(nèi)存和外設(shè).CPU根據(jù)地址的不同區(qū)分訪問的是外設(shè)還是存儲(chǔ)器.2,獨(dú)立編址:I/O設(shè)備和主存儲(chǔ)器的地址空間相互獨(dú)立,CPU使用專門的I/O指令訪問設(shè)備.外設(shè)的查詢方式1,串行點(diǎn)名:CPU依次對(duì)所有的外設(shè)進(jìn)行查詢,每次查詢一臺(tái).2,并行查詢:把各個(gè)外設(shè)的狀態(tài)位集中起來,由CPU通過專用的端口讀取,每次可查詢多個(gè)外設(shè)的狀態(tài).2,程序中斷工作方式使用中斷使CPU無須定期查詢I/O系統(tǒng)的狀態(tài).I/O系統(tǒng)完成后,以中斷的方式通知CPU,然后CPU保存正在執(zhí)行程序的現(xiàn)場(程序計(jì)數(shù)器),接著轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序完成數(shù)據(jù)交換.中斷響應(yīng)時(shí)間:收到中斷請求后,停止正在執(zhí)行的代碼,保存現(xiàn)場的時(shí)間.多中斷源的處理方法1,多中斷信號(hào)線法:每個(gè)中斷源一個(gè)請求線.2,中斷軟件查詢法:CPU收到中斷后轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序,由該程序確認(rèn)中斷源.3,雛菊鏈法:硬件查詢法,所有的I/O模塊共享一條共同的中斷請求線.4,總線仲裁法:一個(gè)I/O設(shè)備在發(fā)出中斷請求前,必須先獲得總線控制權(quán),由總線仲裁機(jī)制決定誰有權(quán)發(fā)出中斷信號(hào).5,中斷向量表法:中斷向量表保存各個(gè)中斷源的中斷服務(wù)程序的入口地址,外設(shè)發(fā)出中斷后,由中斷控制器確定其中繼號(hào).3,DMA工作方式使用DMA控制器DMAC控制和管理數(shù)據(jù)傳送.DMAC與CPU共享系統(tǒng)總線,具有獨(dú)立訪問存儲(chǔ)器的能力.DMA:直接內(nèi)存訪問.實(shí)現(xiàn)步驟:1,向CPU申請DMA傳送.2,獲得CPU允許后,DMAC接管系統(tǒng)總線控制權(quán).3,在DMAC控制下,在存儲(chǔ)器和外設(shè)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送,無需CPU參與,開始時(shí)要提供傳送數(shù)據(jù)的長度和起始地址.4,傳送結(jié)束后,向CPU返回DMA操作完成信號(hào).DMAC獲取總線控制權(quán)方式:1,暫停方式:CPU交出控制權(quán)到DMA操作結(jié)束.2,周期竊取方式:CPU空閑時(shí)暫時(shí)放棄總線時(shí)插入一個(gè)DMA周期.3,共享方式:CPU不使用系統(tǒng)總線時(shí),由DMAC進(jìn)行DMA傳輸.4,I/O通道技術(shù)通道:通過執(zhí)行通道程序管理I/O操作的控制器,使CPU與I/O操作達(dá)到更高的并行度.通道的功能:1,接受CPU的I/O指令,按指令要求與指定的外圍設(shè)備進(jìn)行通信.2,從主存中讀出相應(yīng)的通道指令,經(jīng)譯碼后向設(shè)備控制器和設(shè)備發(fā)送各種命令.3,組織外設(shè)和主存進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送.4,獲得外設(shè)狀態(tài)信息,存入內(nèi)存供CPU使用.5,將外設(shè)的中斷請求和通道本身的中斷請求按順序報(bào)告CPU.通道的類型:1,選擇通道:可連接多臺(tái)快速I/O設(shè)備,每次選擇一臺(tái)設(shè)備執(zhí)行通道程序,進(jìn)行主存與該設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳送.2,字節(jié)多路通道:可連接多臺(tái)慢速I/O設(shè)備,以交叉方式傳送數(shù)據(jù),設(shè)備輪流使用通道與主存進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送,每次只傳送一個(gè)字節(jié).3,數(shù)據(jù)多組通道:綜合前兩者的優(yōu)點(diǎn).接口分類:根據(jù)數(shù)據(jù)的傳輸格式1,串行總線接口:實(shí)現(xiàn)串行線路上發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的接口.2,并行總線接口:采用并行的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的接口.根據(jù)時(shí)序的控制方式1,同步接口:與同步總線相連接,接口與系統(tǒng)總線間的數(shù)據(jù)傳送由統(tǒng)一的時(shí)序信號(hào)進(jìn)行控制.2,異步接口:與異步總線相連接,接口與系統(tǒng)總線間的數(shù)據(jù)傳送采用異步應(yīng)答控制方式進(jìn)行.根據(jù)數(shù)據(jù)傳送的控制方式1,中斷接口:主機(jī)和設(shè)備之間通過程序中斷方式進(jìn)行控制.2,DMA接口:主機(jī)和設(shè)備之間通過DMA方式進(jìn)行控制.RS-232C接口數(shù)字終端設(shè)備(DTE)和數(shù)字通信設(shè)備(DCE)之間采用二進(jìn)制形式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的接口,由電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA提出的局域異步傳輸技術(shù).總線一組能為多個(gè)部件共享的公共信息傳送線路.分類:1,內(nèi)部總線:同一部件連接各個(gè)模塊的總線.2,系統(tǒng)總線:同一臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各部件之間的連接總線.3,外總線:系統(tǒng)與其他設(shè)備之間或系統(tǒng)之間的通信總線.常見I/O總線類型:IDE:最常用的磁盤接口現(xiàn)在使用增強(qiáng)型EIDE接口,傳輸率有UDMA-33,UDMA-66,UDMA-133三種,擁有32位數(shù)據(jù)帶寬,最多連接4個(gè)設(shè)備.SCSI:用雛菊鏈的方式連接多個(gè)I/O設(shè)備.PCMCIA:筆記本電腦常見接口.USB:一個(gè)人計(jì)算機(jī)為主站,最大可以連接127個(gè)設(shè)備.USB1.0速度1.2Mb/s,USB2.0速度480Mb/s,支持熱插拔.1394接口:廣泛應(yīng)用于娛樂外設(shè),串行接口,速度400Mb/s,新標(biāo)準(zhǔn)800Mb/s,雛菊鏈?zhǔn)竭B接,每個(gè)端口支持63個(gè)設(shè)備,支持熱插拔.其他常見個(gè)人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)總線:總線位數(shù)頻率速度描述ISA8/16位8MHz8Mb/s速度低,CPU占用率高,占用硬件中斷資源.EISA32位8MHz32Mb/sISA的擴(kuò)展,386DX后啟用PCI32/64位33/66MHz133Mb/s存在中斷共享沖突,支持10個(gè)以內(nèi),Pentium開始使用AGP66MHz266Mb/s加速圖形接口,AGP2X,4X,8X,帶寬2.1Gb/s·輸入輸出設(shè)備類型和特性1.1.4嵌入式系統(tǒng)基本知識(shí)嵌入式系統(tǒng):指以應(yīng)用為中心,以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ),軟硬件可裁減,以適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能,可靠性,成本,體積和功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng).組成1,一臺(tái)計(jì)算機(jī)或者微控制器,字長可能是4位,8位,16位,32位甚至是64位.2,用以保存固件的ROM.3,用以存儲(chǔ)程序數(shù)據(jù)的RAM.4,連接微控制器的開關(guān),按紐,傳感器,模數(shù)轉(zhuǎn)換器,控制器,LED(發(fā)光二極管)和顯示器的I/O端口.5,一個(gè)簡單的嵌入式系統(tǒng),一般是系統(tǒng)開發(fā)人員自行編寫的.結(jié)構(gòu)1,硬件環(huán)境:操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序運(yùn)行的硬件平臺(tái),不同的應(yīng)用通常有不同的硬件環(huán)境.硬件平臺(tái)多樣性是嵌入式系統(tǒng)的一個(gè)主要特點(diǎn).2,嵌入式操作系統(tǒng):嵌入式系統(tǒng)中的操作系統(tǒng),完成嵌入式應(yīng)用的任務(wù)調(diào)度和控制等核心功能,具有內(nèi)核較精簡,可配置,與高層應(yīng)用緊密關(guān)聯(lián)等特性,有相對(duì)不變性.3,嵌入式應(yīng)用程序:運(yùn)行于操作系統(tǒng)之上,利用操作系統(tǒng)提供的機(jī)制完成特定功能的嵌入式應(yīng)用.不同的系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)不同的嵌入式應(yīng)用程序.特點(diǎn)1,面向固定應(yīng)用.2,技術(shù)密集,資金密集,高度分散,不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng).3,硬件和軟件必須高效率地設(shè)計(jì),量體裁衣,去除冗余,力爭在同樣的硅片面積上實(shí)現(xiàn)更高的性能,這樣才能在具體應(yīng)用中對(duì)處理器的選擇上更具有競爭力.4,為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性,嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲(chǔ)器芯片或單片機(jī)中,而不是存儲(chǔ)與磁盤等載體中.5,嵌入式系統(tǒng)本身不具備自舉開發(fā)能力,即