计算机系统知识

Posted 2021-01-04

计算机系统知识
一、计算机组成（运算器、控制器、存储器、原码、反码、 补码）
? 运算器
算术逻辑单元（ALU）、累加器、状态寄存器、通用寄存器组等组成。算术逻辑运算单元（ALU）的基本功能为加、减、乘、除四则运算，与、或、非、异或等逻辑操作，以及移位、求补等操作。
计算机运行时，运算器的操作和操作种类由控制器决定。运算器处理的数据来自存储器；处理后的结果数据通常送回存储器，或暂时寄存在运算器中。与Control Unit共同组成了CPU的核心部分。
? 控制器
是整个CPU的指挥控制中心，由指令寄存器IR(InstructionRegister)、程序计数器PC(ProgramCounter)和操作控制器0C(OperationController)三个部件组成，对协调整个电脑有序工作极为重要。
? 存储器
根据存储器在计算机系统中所起的作用，可分为主存储器、辅助存储器、高速缓冲存储器、控制存储器等。 　　
为了解决对存储器要求容量大，速度快，成本低三者之间的矛盾，目前通常采用多级存储器体系结构，即使用高速缓冲存储器、主存储器和外存储器。
名称简称用途特点
　　高速缓冲存储器 Cache 高速存取指令和数据 存取速度快，但存储容量小
　　主存储器 内存 存放计算机运行期间的大量程序和数据 存取速度较快，存储容量不大
　　外存储器 外存 存放系统程序和大型数据文件及数据库 存储容量大，单位存储量成本低
高速缓存是为了解决高速设备和低速设备相连，提高访问速度
? I/O部件
输入设备 向计算机输入数据和信息的设备。是计算机与用户或其他设备通信的桥梁。
输出设备 （Output Device）是人与计算机交互的一种部件，用于数据的输出。
? 原码、补码、反码
计算机储存有符号的整数时，是用该整数的补码进行储存的，0的原码、补码都是0，正数的原码、补码可以特殊理解为相同，负数的补码是它的反码加1。

二、指令系统（指令、寻址方式、CSIC、RISC）
? 指令
告诉计算机从事某一特殊运算的代码 数据传送指令、算术运算指令、位运算指令、程序流程控制指令、串操作指令、处理器控制指令。
指令周期是执行一条指令所需要的时间，一般由若干个机器周期组成，是从取指令、分析指令到执行完所需的全部时间。
　　CPU从内存取出一条指令并执行这条指令的时间总和。 　　
指令不同，所需的机器周期数也不同。对于一些简单的的单字节指令，在取指令周期中，指令取出到指令寄存器后，立即译码执行，不再需要其它的机器周期。对于一些比较复杂的指令，例如转移指令、乘法指令，则需要两个或者两个以上的机器周期。 　　
从指令的执行速度看，单字节和双字节指令一般为单机器周期和双机器周期，三字节指令都是双机器周期，只有乘、除指令占用4个机器周期。在编程时要注意选用具有同样功能而机器指令步骤的并行。
指令流水线：将指令流的处理过程划分为取指、译码、计算操作数地址、取操作数、执行指令、写操作数等几个并行处理的过程段。这就是指令6级流水时序。在这个流水线中，处理器有六个操作部件，同时对这六条指令进行加工，加快了程序的执行速度。目前，几乎所有的高性能计算机都采用了指令流水线。周期数少的指令。
例如：一个指令分为三个步骤，取指4T，分析3T，执行5T。则指令周期为5T【取时间值最长的】，串行运行100条指令的时间是100(4+3+5)T=1200T，并行执行100条指令的时间是995T+(4+3+5)T=507T

? 寻址方式
寻址方式就是寻找操作数或操作数地址的方式。8086提供了与操作数有关和与I/O端口地址有关的两类寻址方式。与操作数有关的寻址方式有七种，分别是立即寻址，寄存器寻址，直接寻址，寄存器间接寻址，寄存器相对寻址，基址加变址寻址，相对基址加变址寻址；与I/0端口有关的寻址方式有直接端口寻址和间接端口寻址方式。

三、多处理器（耦合系统、阵列处理机、双机系统、同步）
? SMP
对称多处理"（Symmetrical Multi-Processing）又叫SMP，是指在一个计算机上汇集了一组处理器(多CPU),各CPU之间共享内存子系统以及总线结构。相当于任何任务都平均分配到每个CPU执行，对于单一任务计算较为有利
非对称多处理器
每个处理器处理不同的任务，如整数运算由特定处理器处理，浮点元素按由专用处理器处理，分工明确，适合于多种任务计算

? 计算机体系结构分类
SISD——单指令流单数据流
SIMD——单指令流多数据流
MISD——多指令流单数据流
MIMD——多指令流多数据流
此处考试一般都比较简单，只要记住S单I指令M多D数据即可
? 耦合系统
紧耦合系统：通过共享主存来实现处理机间通信，处理机相互间关系紧密
松耦合系统：通过消息传递方式实现处理机间的相互通信，每个处理机是有一个独立性较强的计算模块组成
? 双机系统
双机主从模式：一台为工作机，另外一台为备份机，正常状态工作机工作，备份机监视工作机状态，工作机故障，备份机接替工作，工作机正常后，人工或者自动的方式切换到工作机工作模式
双机互备模式：都为工作机负载，互相监视状态

四、存储器
存储介质
? 存储分类
根据存储器在计算机系统中所起的作用，可分为主存储器、辅助存储器、高速缓冲存储器、控制存储器等。 　　为了解决对存储器要求容量大，速度快，成本低三者之间的矛盾，目前通常采用多级存储器体系结构，即使用高速缓冲存储器、主存储器和外存储器。
名称简称用途特点
　　高速缓冲存储器 Cache 高速存取指令和数据 存取速度快，但存储容量小
　　主存储器 内存 存放计算机运行期间的大量程序和数据 存取速度较快，存储容量不大
　　外存储器 外存 存放系统程序和大型数据文件及数据库 存储容量大，位成本低
高速缓存是为了解决高速设备和低速设备相连，提高访问速度
按照存取方式分类，可分为RAM（随机存储器，断电数据丢失，如内存）、ROM（只读存储器，有一特例xPROM是可擦写只读）、SAM（串行访问存储器，如磁带）

? 存储容量
1B（Byte、字节）=8bit（位）
1KB=2^10字节=1024字节
1MB=1024KB
1GB=1024MB
1TB=1024GB
PB EB ZB YB NB DB是后面的单位，知道就行
? 高速缓存
地址映像直接看题就行，不在此赘述
例如，计算机中有一级、二级缓存，假设算法命中率为80%，CPU从外存调取数据的几率是（1-80%）（1-80%）=4%
? 磁盘阵列存储器
RAID0级别：无容错能力，效率为单磁盘的N倍，利用率100%
RAID1级别：有容错能力，效率无提高，利用率50%
RAID5级别：有容错能力，效率略小于单磁盘的N倍，利用率N-1/N
RAID6级别：有容错能力，效率略小于单磁盘的N倍，利用率N-2/N

五、输入输出（I/O）系统
? 输入输出控制系统
中央处理程序控制方式，其中的中断方式是使CPU和外设并行工作，效率很高
直接存储器存取方式DMA，这种方式CPU并未干预
输入输出处理及控制方式，
? 常见接口
SCSI，可连接7个外设，支持热插拔（带点插拔）
并行端口，双向多位数据同时传送
通用接口总线
RS-232，也叫串行口，比并行口的传输距离远，DB-9和DB-25都是串行口
USB，可连接127个设备，支持热插拔，USB1.1为1.5Mb/s，USB2.0为480Mb/s，USB3.0为5Gb/s
IEEE1394，串行口的一种，也叫火线
六、操作系统
? RAS
通过RAS来衡量计算机系统
R，可靠性，一定时间内正常运行的概率
A、可用性=平均无故障时间MTBF/（平均无故障时间MTBF+平均故障修复时间MTTR）
S、可维修性
例如：两部件的可靠性分别是R1和R2，串行和并行方式的总体可靠性分别是R1*R2和1-（1-R1）（1-R2）