计算机系统知识-硬件知识

计算机系统知识-硬件知识全国计算机技术与软件专业技术资格(水平)网络工程师考试大纲知识结构计算机与网络知识计算机系统知识硬件知识第4页，共7页1.计算机系统知识1.1硬件知识1.1.1计算机结构·计算机组成(运算器,控制器,存储器,I/O部件)运算器:对数据进行加工处理，完成算数逻辑运算。通常由算数逻辑部件(ALU),寄存器,多路转换器,数据总线组成.控制器:依次访问程序指令,进行指令译码,并协调其他设备.通常由程序计数器,指令寄存器,指令译码器,状态/条件寄存器,时序发生器,微操作信号发生器等组成.程序计数器(PC):每取出一条指令,PC内容自动增加一个值,指向下一条要取得指令.指令寄存器(IR):存放当前要执行的指令.指令译码器(ID):对现行指令进行分析,确定指令类型,要完成的操作及寻址方式.时序发生器:产生时序脉冲和节拍点位控制计算机有序的工作.微操作信号发生器:综合各种信号形成特定的操作序列,完成取指令的执行控制.存储器:具有记忆能力的部件,用来存放程序或数据.输入设备:把程序和原始数据转换成计算机中用以表示二进制的电信号,输入到计算机内存.输出设备:把运算结果按照人们要求的形式输出.·指令系统(指令,寻址方式,CISC,RISC)指令系统:一台计算机的所有指令组成指令系统.指令:计算机能执行的基本操作叫做指令.指令由操作码和地址码组成.操作码:指明操作的类型和性质.操作码的位数决定了指令系统中指令的多少:指令数=2^操作码位数定长操作码:操作码的位数和位置固定不变,通常占据指令最前面的几位.扩展操作码:指令较短时,利用某些指令中地址字段减少的位数,扩展操作码的位数.地址码:指明操作数(原始的数据)及运算结果存放的地址.寻址方式:指令中如何提供操作数或提供操作数地址,称为寻址方式或编址方式.操作数可寄存于:CPU的寄存器(用寄存器名操作),主存储器(指出存储单元地址),堆栈(先进后出存储机制,用栈顶指针SP标记当前位置),外存储器,外围设备.指令寻址方式(2种):顺序寻址:把程序首地址赋予PC,根据PC内容从内存中取出指令,稳定到达指令寄存器后,PC内容自动加1,指向下一条指令.转移寻址:若内存中取出的指令是转移指令或者转子指令,则修改PC内容,指向新的地址执行.操作数寻址方式(5种):立即寻址:指令的地址码字段给出的不是操作数的地址而是操作数本身,执行时间短.直接寻址:指令的地址码字段直接给出操作数地址或操作数所在寄存器号.寄存器寻址:指令的地址码字段直接给出操作数所在的寄存器号.寄存器间接寻址:指令的地址码字段在寄存器中给出.变址寻址:指令的地址码字段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.CISC:复杂指令计算机,拥有很多且复杂的指令来提高系统的效率.RISC:精简指令计算机,使用少量结构简单的指令,提高计算机性能.RISC的特征:1,精简指令数量.2,简化指令格式.3,几乎所有指令都在一个机器周期内完成.4,采用寄存器操作.5,绝大部分指令采用硬联控制实现,只有少编址基础可以是字节也可以是字.计算地址位数,首先应该计算要编址的字或字节数,然后求2的对数可得.·主存配置(主存奇偶校验,交叉存取,多极主存,主存保护系统)·高速缓存程序的局部性:在一个较短时间内,对局部范围的存储器访问频繁,对此范围以外的地址访问甚少的现象.程序的局部性原理:将访问集中的内容存放在高速缓存上以提高性能.访问命中率h,使效率1-h,Cache访问周期t1,主存访问周期t2平均访存时间t3=hxt1+(1-h)xt2Cache地址映射(3种)直接映像:每个主存页只能复制到某一固定的Cache页.全相联映像:主存的每一页可以映像到Cache的任意一页.组相联映像:主存各页与Cache的组号有固定的映像关系,但可以自由映像到对应的Cache组中的任意一页.Cache淘汰算法包括随机淘汰,先进先出(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写操作写回法:信息暂时只写入Cache,并用标志加以注明,直到内容需要从Cache中替换(淘汰)出来时,才一次写入内存.特点:速度快,容易造成错误.写直达法:信息在写入Cache时同时写入主存.特点:速度慢,不易出错.标记法·辅存设备的性能和容量计算磁带存储器顺序存储设备,存取时间长,容量大,常用于备份.启停式:以文件块的形式存放信息,数据块间有空白块,其磁道数等于磁头数.数据流式:串行逐道记录信息,每次读写1位,结构简单,价格低,速度快.性能公式数据传输速率(B/S)=磁带记录密度(B/mm)x带速(mm/s)数据块长度=记录数据所需长度+块间间隔记录数据所需长度=(字节数/记录)x块因子/记录密度读N条记录所需时间=启停时间+有效时间+时间间隔有效时间=(Nx字节数/记录)/传输速度间隔时间=块间隔总长/带速=[(N/块化因子)x(块间间隔)]/带速磁盘存储器常见技术指标磁道数=(外半径-内半径)x道密度x记录面数注意:硬盘的第一面和最后一面是保护用的,要减掉.n个双面盘片的记录面数=nx2-2非格式化容量=面数x(磁道数/面)x内圆周长x最大位密度格式化容量=面数x(磁道数/面)x(扇区数/道)x(字节数/扇区)平均数据传输速率=每道扇区数x扇区容量x盘片转速存取时间=寻道时间+等待时间寻道时间:磁头移动到磁道所需的时间等待时间:等待读写的扇区转到磁头下方所用的时间磁记录方式磁盘按照某种规律将一连串二进制数字信息变换成为此戒指上的某个磁通翻转形式,采用的是串—并行的方式写入.直接记录方式归零制(RZ):每个波都回到零电平(中间),成为凸字和凹字形.不归零制(NRZ):用高电平表示1,低电平表示0.不归零-1制(NRZ-1):见到1就翻转,见到0不变.其他方式调相制(PE):用低到高翻转代表1,用高到低翻转代表0,常用于磁带机.调频制(FM):用有频率代表1,无频率代表0.用于早期硬盘.改进的调频制(MFM):在调频制基础上加上了翻转规则,广泛应用于硬盘.1.1.3输入输出结构和设备·I/O接口(中断,DMA,通道,SCSI,并行接口,通用接口总线,RS-232,USB,IEEE1394,红外线接口,输入输出控制系统,通道)I/O系统三种工作方式:1,程序控制工作方式输入输出完全由CPU控制,在整个I/O过程中CPU必须等待其完成,限制了CPU的高速能力.I/O设备的编码方式1,存储器映射:I/O设备和主存储器统一编址,使用相同的机器指令访问内存和外设.CPU根据地址的不同区分访问的是外设还是存储器.2,独立编址:I/O设备和主存储器的地址空间相互独立,CPU使用专门的I/O指令访问设备.外设的查询方式1,串行点名:CPU依次对所有的外设进行查询,每次查询一台.2,并行查询:把各个外设的状态位集中起来,由CPU通过专用的端口读取,每次可查询多个外设的状态.2,程序中断工作方式使用中断使CPU无须定期查询I/O系统的状态.I/O系统完成后,以中断的方式通知CPU,然后CPU保存正在执行程序的现场(程序计数器),接着转入中断服务程序完成数据交换.中断响应时间:收到中断请求后,停止正在执行的代码,保存现场的时间.多中断源的处理方法1,多中断信号线法:每个中断源一个请求线.2,中断软件查询法:CPU收到中断后转到中断服务程序,由该程序确认中断源.3,雏菊链法:硬件查询法,所有的I/O模块共享一条共同的中断请求线.4,总线仲裁法:一个I/O设备在发出中断请求前,必须先获得总线控制权,由总线仲裁机制决定谁有权发出中断信号.5,中断向量表法:中断向量表保存各个中断源的中断服务程序的入口地址,外设发出中断后,由中断控制器确定其中继号.3,DMA工作方式使用DMA控制器DMAC控制和管理数据传送.DMAC与CPU共享系统总线,具有独立访问存储器的能力.DMA:直接内存访问.实现步骤:1,向CPU申请DMA传送.2,获得CPU允许后,DMAC接管系统总线控制权.3,在DMAC控制下,在存储器和外设之间进行数据传送,无需CPU参与,开始时要提供传送数据的长度和起始地址.4,传送结束后,向CPU返回DMA操作完成信号.DMAC获取总线控制权方式:1,暂停方式:CPU交出控制权到DMA操作结束.2,周期窃取方式:CPU空闲时暂时放弃总线时插入一个DMA周期.3,共享方式:CPU不使用系统总线时,由DMAC进行DMA传输.4,I/O通道技术通道:通过执行通道程序管理I/O操作的控制器,使CPU与I/O操作达到更高的并行度.通道的功能:1,接受CPU的I/O指令,按指令要求与指定的外围设备进行通信.2,从主存中读出相应的通道指令,经译码后向设备控制器和设备发送各种命令.3,组织外设和主存进行数据传送.4,获得外设状态信息,存入内存供CPU使用.5,将外设的中断请求和通道本身的中断请求按顺序报告CPU.通道的类型:1,选择通道:可连接多台快速I/O设备,每次选择一台设备执行通道程序,进行主存与该设备间的数据传送.2,字节多路通道:可连接多台慢速I/O设备,以交叉方式传送数据,设备轮流使用通道与主存进行数据传送,每次只传送一个字节.3,数据多组通道:综合前两者的优点.接口分类:根据数据的传输格式1,串行总线接口:实现串行线路上发送和接收数据的接口.2,并行总线接口:采用并行的方式进行数据发送和接收的接口.根据时序的控制方式1,同步接口:与同步总线相连接,接口与系统总线间的数据传送由统一的时序信号进行控制.2,异步接口:与异步总线相连接,接口与系统总线间的数据传送采用异步应答控制方式进行.根据数据传送的控制方式1,中断接口:主机和设备之间通过程序中断方式进行控制.2,DMA接口:主机和设备之间通过DMA方式进行控制.RS-232C接口数字终端设备(DTE)和数字通信设备(DCE)之间采用二进制形式进行数据交换的接口,由电子工业协会EIA提出的局域异步传输技术.总线一组能为多个部件共享的公共信息传送线路.分类:1,内部总线:同一部件连接各个模块的总线.2,系统总线:同一台计算机系统中各部件之间的连接总线.3,外总线:系统与其他设备之间或系统之间的通信总线.常见I/O总线类型:IDE:最常用的磁盘接口现在使用增强型EIDE接口,传输率有UDMA-33,UDMA-66,UDMA-133三种,拥有32位数据带宽,最多连接4个设备.SCSI:用雏菊链的方式连接多个I/O设备.PCMCIA:笔记本电脑常见接口.USB:一个人计算机为主站,最大可以连接127个设备.USB1.0速度1.2Mb/s,USB2.0速度480Mb/s,支持热插拔.1394接口:广泛应用于娱乐外设,串行接口,速度400Mb/s,新标准800Mb/s,雏菊链式连接,每个端口支持63个设备,支持热插拔.其他常见个人计算机系统总线:总线位数频率速度描述ISA8/16位8MHz8Mb/s速度低,CPU占用率高,占用硬件中断资源.EISA32位8MHz32Mb/sISA的扩展,386DX后启用PCI32/64位33/66MHz133Mb/s存在中断共享冲突,支持10个以内,Pentium开始使用AGP66MHz266Mb/s加速图形接口,AGP2X,4X,8X,带宽2.1Gb/s·输入输出设备类型和特性1.1.4嵌入式系统基本知识嵌入式系统:指以应用为中心,以计算机技术为基础,软硬件可裁减,以适应应用系统对功能,可靠性,成本,体积和功耗严格要求的专用计算机系统.组成1,一台计算机或者微控制器,字长可能是4位,8位,16位,32位甚至是64位.2,用以保存固件的ROM.3,用以存储程序数据的RAM.4,连接微控制器的开关,按纽,传感器,模数转换器,控制器,LED(发光二极管)和显示器的I/O端口.5,一个简单的嵌入式系统,一般是系统开发人员自行编写的.结构1,硬件环境:操作系统和应用程序运行的硬件平台,不同的应用通常有不同的硬件环境.硬件平台多样性是嵌入式系统的一个主要特点.2,嵌入式操作系统:嵌入式系统中的操作系统,完成嵌入式应用的任务调度和控制等核心功能,具有内核较精简,可配置,与高层应用紧密关联等特性,有相对不变性.3,嵌入式应用程序:运行于操作系统之上,利用操作系统提供的机制完成特定功能的嵌入式应用.不同的系统需要设计不同的嵌入式应用程序.特点1,面向固定应用.2,技术密集,资金密集,高度分散,不断创新的知识集成系统.3,硬件和软件必须高效率地设计,量体裁衣,去除冗余,力争在同样的硅片面积上实现更高的性能,这样才能在具体应用中对处理器的选择上更具有竞争力.4,为了提高执行速度和系统可靠性,嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机中,而不是存储与磁盘等载体中.5,嵌入式系统本身不具备自举开发能力,即