网工学习1-计算机硬件基础

KingHWJ
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一、数据的表示（★ ★ ★）

电脑信息的种类

  • 数字信息
    • 数值信息：阿拉伯数字等
      • 有符号
      • 无符号
    • 非数值信息：ASCII码等
  • 控制信息

1.进制

1.1 R进制的表示（R可为二、八、十、十六）

原则：逢R进一

1.2 R进制转十进制（按权展开）

二进制的1101转十进制：1∗23+1∗22+0∗21+1∗20=131*2^3 + 1*2^2+0*2^1+1*2^0 = 13

1.3 十进制转R进制（短除法）

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2.二进制、八进制、十六进制互转

2.1 整数二进制转八进制
  • 从右往左起，每三位二进制转1位八进制，不足三位的再最左边添0补齐
  • 反之，八转二，则每一位八进制转换为三位进制表示
  • 小数从左往右补
2.2 整数二进制转十六进制
  • 从右往左起每四位二进制转1位十六进制，不足四位的再最左边添0补齐
  • 反之，十六转二，则每一位十六进制转换为四位二进制表示

3. 原码、反码和补码

数值 1数值 -11 + （-1）
原码0 00000011 00000011 0000010
反码0 00000011 11111101 1111111
补码0 00000011 11111110 0000000

取值范围

定点整数定点小数
原码−(2n−1−1−1)-(2^n-1-1 -1)-1 < X < 1
反码-1 < X < 1
补码-1 <= X < 1

二、计算机系统的组成与体系结构（★ ★ ★）

1.总线

  • 数据总线（宽度：一次能传送的二进制的位数）
  • 地址总线（位数：寻址空间大小）
  • 控制总线

2.主机结构

  • 主机
    • CPU
      • 运算器
        • 算术逻辑单元ALU：逻辑运算
        • 累加寄存器：暂时存储操作数或中间结果
        • 数据缓冲寄存器：从主存暂时读取的指令和数据
        • 状态条件寄存器：
      • 控制器
        • 程序计数器PC：存储下一条指令地址
        • 指令寄存器IR：存放正在运行的指令
        • 指令译码器：存放操作码+地址码
        • 时序部件：时间控制
    • 主存储器：存储指令和数据

3.指令系统-寻址方式

寻址：寻找操作数所在的地址

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  • 立即寻址
  • 变址寻址
  • 直接寻址
  • 间接寻址
  • 寄存器寻址
  • 寄存器间接寻址

4.CISC与RISC

指令系统类型指令寻址方式实现方式其他
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
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编译，有效支持高级语言

5.Flynn

体系结构类型结构关键特性代表
单指令流单数据流SISD控制部分：一个 处理器：一个 主存模块：一个单处理器系统
单指令流多数据流SIMD控制部分：一个 处理器：多个 主存模块：多个各处理器以异步的形式执行同一条指令并行处理机 阵列处理机 超级向量处理机
多指令流单数据流MISD控制部分：多个 处理器：一个 主存模块：多个被证明不可能，至少是不实际目前没有，有文献称流水线计算机为此类
多指令流多数据流MIMD控制部分：多个 处理器：多个 主存模块：多个能够实现作业、任务、指令等各级全面并行多处理机系统 多计算机

6.流水线

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技术指标

  • 吞吐率：Tp = n/Tk
  • 加速比：S = Ts/Tk
  • 效率

三、存储系统（★ ★ ★）

1.基本结构

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  • 主存：随机存储器RAM（掉电丢失）和只读存储器ROM（掉电不丢失）
  • 缓存：cache高速缓冲存储器，实现缓和CPU和主存之间的速率矛盾

RAM

  • DRAM：动态随机存储器，内容需要动态刷新
  • SRAM：静态随机存储器

存储方式

  • 顺序存取（磁带）
  • 直接存取（硬盘）
  • 随机存取（内存）
  • 相联存取（Cache)

2.主存储器基础-组成

  • 实际的存储器总容量，是由一片或多片存储芯片配以控制电路构成的。其容量为W x B,W是存储单元的数量，B标识每个word由多少bit组成。 如：某一芯片规格为wxb,则组成WxB的存储器需要（W/w) x (B/b) 个芯片

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  • 主存储器（内存）采用：随机存取方式存储，需对每个存储单元进行编址。而在主存储器中，通常以word为单位进行标识，即每个字一个地址，通常采用16进制表示

3.Cache

如果Cache的访问命中率为h，而Cache的访问周期时间是t1，主存储器的访问周期时间是t2，则整个系统的平均访问周期时间就应该是： t3 = h x t1 + (1-h) x t2

淘汰算法

  • 先进先出算法
  • 最近最少使用算法
  • 随机算法

4.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磁盘视为单一的虚拟磁盘，数据是以分段的方式顺序存放于磁盘阵列中

三大特点

  • 通过对硬盘上的数据进行条带化，实现对数据成块存取，减少硬盘的机械寻道时间，提高数据存取速度
  • 通过对一阵列中的几块硬盘同事读取，减少硬盘的机械寻道时间，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
4.1 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动作，但是不具备备份及容错能力，它价格便宜，硬盘使用效率最佳，写入速度快，但是可靠度是最差的
  • 磁盘利用率100%

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4.2 RAID1技术
  • RAID 1使用的是Disk Mirror（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，这样做的使用效率不高，但是可靠性高
  • 利用率50% image.png
4.3 RAID3技术
  • 采用特定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，可靠性好
  • 当单个硬盘失效时，会产生奇偶盘I/O瓶颈效应
  • 硬盘利用率 = (n-1)/n

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4.4 RAID5技术
  • 采用分布式奇偶校验的数据分段技术，将用于奇偶校验的数据存放到各个硬具有数据容错能力，可靠性好
  • 校验值分散在各个盘的不同位置，相当程度的分散了负载，故有较好的性能，硬盘利用率= (n-1)/n

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4.5 RAID6技术
  • RAID 6是由一些大型企业提出来的私有RAID级别标准，它的全称叫 “带有两个独立分布式校验方案的独立数据磁盘
  • 从功能上讲，能实现两个磁盘掉线容错的，都I4RAID6
  • 磁盘利用率(n-2)/n

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4.6 RAID10
  • RAID10结合RAID1和RAID0，先镜像，再条带化

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4.7 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

四、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：系统发生两个故障，故障时间间隔的平均时间
  • 平均故障修复时间MTTR
  • 可用性

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