网络工程师课件

第一章计算机硬件基础

1.计算机结构

计算机体系与组成结构与组成结构。CPU特性。指令系统。流水线技术

1.1 计算机体系结构分类

Flynn分类法：它是根据指令流，数据流和多倍性3方面进行分类的

冯氏分类法：以计算机系统在单位时间内所能够处理的最大二进制位数分类 字串位串（字宽=1，位宽=1），字并位串（字宽1，位宽=1），字串位并（字宽=1，位宽1），字并位并（字宽1，位宽1）4种

1.2 计算机的硬件组成

运算器，控制器，存储器，输入设备，输出设备 运算器与控制器组成CPU

运算器负责完成算术，逻辑运算功能，运算器由ALU，寄存器，多路转换器，数据总线 控制器负责访问程序指令，进行指令译码，并协调其他设备

控制器由程序计数器，指令寄存器，状态/条件寄存器，时序发生器，微操作信号发生器组成

总线：总线是一种内部结构，它是CPU,内存，输入，输出设备传递信息的公用通道，主机的各个部件通过总线相连接外部设备通过相应的接口电路与总线相连接，从而形成了计算机硬件系统

系统总线分类 数据总线（DB）：用于传送数据信息 地址总线(AB)：是专门用来传送地址的 控制总线(CB)：用来传送控制信号和时延信号

1.3 CPU特性

指令周期：是指取出并执行一条指令所需的时间，也称为时间周期

总线周期：是指CPU从存储器或I/O端口存取一个字节所需的时间，也称为主频周期 时钟周期：指的是CPU处理动作的最小单位 (1)计算总线数据传输速率

总线数据传输效率=时钟频率每个总线包含的时钟周期数×每个总线周期传送的字节数 **每秒传输8个字节

(2)计算系统速度（指令秒事务项秒）

每秒指令数=时钟频率/每个总线包含的时钟周期数指令平均占用总线周期数

1.4 指令系统基础

指令的基本格式是由操作码和地址码两部分组成 操作码指出该命令要完成什么操作

地址码则提供原始的数据

指令系统中定义操作码的方法可以分为规整型（定长编码）和非规整型（变长编码）两种 指令系统中用来确定如何提供操作数或提供操作数地址的方式称为寻址方式和编码方式 操作数寻址方式

立即寻址：直接给出操作数而非地址

直接寻址：直接给出操作数据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：给出的地址需与特点的地址值累加从而得出操作数据地址

1.5 RISC（精简指令集计算机）与CISC（复杂指令计算机）

计算机执行程序所需的时间P 编译后产生的的机器指令数I 执行每条指令所需的平均周期数CPI 每个机器周期的时间T P=I×CPI×T 1.6流水线技术

流水线技术是通过并行硬件来提高系统性能的常用方法 流水线的吞吐率（任务数/完成时间）

加速比（不采用流水线的执行时间/采用流水线的执行时间） 影响流水线的主要因素 （1）转移指令

（2）共享资源访问的冲突 （3）响应中断

1.7 并行处理技术

并行性是指在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不同的工作，只要在时间上互相重叠，都存在并行性。 （1）并行措施分类 时间重叠 资源重叠 资源共享

（2）主要并行技术 （3）并行性的发展

单处理机 资源共享 资源重复 时间重复 多机系统 网络化 多机互联 功能专用化

2.存期器

存储器是用来保存原始数据，操作数据，结果数据的重要设备主要分为主存储器，辅存储器，Cache三种

2.1存储器系统特征

（1）存储器的存取方式 顺序存取 直接存取 随机存取 相联存取

（2）存期器的性能 存取时间 存储器带宽 数据传输率

2.2主存储器基础

（1）主存储的种类 RAM： ROM： PROM： EPROM： E2PROM： 闪速存储器：

（2）主存储器的组成

（3）主存储器的地址编码

2.3 Cache（高速缓冲存期器，简称高速缓存）

（1）Cache原理，命中率，失效率 （2）Cache存储器的映射机制

直接映射 全相联映射 组相联映射

（3）Cache淘汰算法 随机淘汰

先进先出淘汰淘汰 最近最少使用淘汰

（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时就需要考虑与主存间的同步问题，通常使用以下三种方法写直达（写Cache时，同时写主存），写回（写Caech时不马上写主存，而是等其淘汰时回写），标记法

2.4磁带存储器

磁带存储器是一种顺序存取设备，存取时间长，容量大，现在常用于备份。根据其读写方式的不同，它通常包括以下两种 启停式 数据流式

2.5 磁盘存储器

磁盘是最常见的一种外部存储器，它是由1至多个圆形磁盘组成 （1）常见技术指标 计算磁道数：（外半径-内半径）*道密度*记录面数 非格式化容量=位密度*n*最内直径*总磁道数 格式化容量=每道扇区容量*扇区容量*总磁道数

平均数据传输速率=每道扇区数*扇区容量*盘片转数 存取时间=寻道时间+等待时间 （2）磁记录方式 归零制 不归零制

不归零-1制

以上三种均为直接记录方式 调相制 调频制

改进的调频制

2.6 SCSI与RAID SCSI接口是小型计算机系统接口的简称，它是一种输入、输出接口，主要用于光盘机，磁带机，硬盘，扫描仪，打印机的设备。它的特点是速度快，支持多I/O任务并行操作。 RAID是多台磁盘存储器组成的一个快速，大容量，高可靠性的辅助存储子系统。它通过利

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：通常采用专用的控制芯片，用SCSI总线与计算机系统相连 RAID级别 0级RAID 1级RAID 3级RAID 5级RAID 把RAID0和RAID1技术结合起来

3输入/输出系统 3.1输入输出系统原理

（1）程序控制工作方式 存储器映射 独立编址 串行点名 并行查询

（2）程序中断工作方式 多中断信号线法 中断软件查询法 维菊链法 总线仲裁法

中断向量表法

（3）DMA工作方法 向CPU申请DMA传送

获得CPU允许后，DMA控制器接管系统总线的控制权

在DMA控制器的控制下，在存储器和外设之间进行数据传送，在传送过程中无须CPU参考，开始时需要提供传送数据的长度和起始地址 传送结束后，向CPU返回DMA操作完成信号

3.2 I/O通道技术

通道的功能

接受CPU的I/O指令，按指令要求与指定要求的外围设备进行通信 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 组织外设的状态信息，存入内存供CPU使用

将外设的中断请求和通道本身的中断请求按顺序报告CPU 通道类型 选择通道

字节多路通道 数据多路通道

3.3设备总线及系统总线

常见I/O总线类型 IDE SCSI PCMCIA USB 1394接口

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