有關計算機系統的基礎知識
本章主要內容
計算機系統結構基礎
計算機操作系統基礎
1.計算機系統結構的基礎
計算機系統結構的基礎概念
主要研究軟件、硬件功能分配，確定軟件、硬件界面，即從機器語言程序員或編譯程序設計者的角度所看到的物理系統的抽象。
計算機系統的分類
Fly分類
SISD
SIMD
MISD
MIMD
2.CPU結構及分類
CPU的結構
運算器
控制器
寄存器
輸入輸出總線
分類
16位
32位
64位
3.指令系統及其分類
指令系統的基礎概念
指令系統是計算機所有指令的集合。程序員用各種語言編寫的程序都有翻譯成以指令形式表示的機器語言后才能運行，所以指令系統反映了計算機的基本功能，是硬件設計人員和程序員都能看到的機器的主要屬性。
分類
復雜指令系統（CISC）：隨著硬件成本的不斷下降，軟件成本的不斷提高，使得人們熱衷于在指令系統中增加更多的指令和復雜的指令，來提高操作系統的效率，并盡量縮短指令系統與高級語言的語義差別，以便高級語言的編譯和降低軟件成本，同時為了保證程序兼容，新的計算機的指令系統只能增加而不能減少，所以就使得指令系統越來越來復雜
精簡指令系統（RISC）：通過簡化指令使計算機的結構更加簡單合理，從而提高運算速度！
RISC的特點及其優缺點
4.存儲系統的基礎知識
基本概念
存儲器主要用于存放計算機的程序和數據，存儲器系統指的是存儲器硬件設備以及管理該存儲器的軟、硬件設備。對存儲器的基本要求是增大容量、提高速度、降低價格。單一的存儲器硬件（主存儲器）難以滿足要求。所以就提出了多層次的存儲體系結構（即：寄存器---Cache--主存—外存）
在計算機中存放當前正在執行的程序以及被程序所使用的數據（包括運算結果）原存儲器稱為主存儲器。也就是我們所說的內存
5.主存儲器的種類
按讀寫功能來分：是否需要定期刷新：
靜態：不停電情況下能長時間保留不變，速度快，但容量小，成本高
動態：不停電的情況下也要定期刷新，容量大，成本低，常用在計算機系統中，常見的有：SDRAM、DDR等
可讀寫（RAM）
可擦寫只讀：
EPRM（可擦寫，用紫外線擦寫）
EERM（可用電擦寫）
FLASH（電讀寫，但只能以塊為單位，速度快，成本低，現在最常用）
可編程：ERM（通過編程一次性寫入）
只讀：RM（制造時一次性寫入）
6.存儲器容量的擴展
位擴展：位擴展是對存儲器的位數進行擴充
字擴展：是對存儲器的容量進行擴展
位、字擴展：對位數和容量都進行擴展
7.多體交叉存儲
為了協調存儲器與CPU速度的，其工作原理是：將存儲器分成幾個獨立的個體，這樣第一次就能進行多個字的數據讀寫！
影響多體交叉效率的因素：
多體存儲的模值M
數據的分布情況
較移指令
8.Cache的基礎知識
基本概念
在多級存儲體系中，Cache處于CPU與存儲器之間，其目的是使程序員能使作一個速度與CACHE相當而容量與主存相當的存儲器。
工作原理為：計算機執行作業時，訪問存儲器的時間和空間的局部性原理
工作方式：當存儲器接收到讀命令后，先在CACHE中查找此信息，若在（又叫命中），則從CACHE中取出，不中才從主存中取出
CACHE速度的計算
實際速度=cache的速度*命中率+（1-命中率）*主存的速度
9.虛擬存儲器
基本概念
虛擬存儲器通過增設地址映象表機構來實現程序在主存中的'定位，將程序分割成若干段或頁，用相應的映象表指明該程序的某段或某頁是否已裝入主存。若已裝入，同時指明其要主存中的起始地址；若未裝入，就去輔存中調段或調頁，裝入主存后在映象表中建立好程序空間和實存空間的地址映象關系。
頁面失效替換算法
近期最少使用算法
隨機算法
先進先出
10.總線、接口及輸入輸出系統
定義
總線：是從兩個或兩個以上源部件傳送信息到一個或多個部件的一組傳輸線,如果一根傳輸線僅用于連接一個源部件(輸出)和一個或多個目的部件(輸入)則不稱為總線；
接口：計算機的外部設備,如磁盤驅動器,鍵盤和顯示器等,都是獨立的設備,這些獨立設備與主機相連時,必須按照規定的物理互連特性,電氣特性等進行連接,這些特性的技術規范稱為外設接口；
輸入輸出系統：輸入輸出系統包括輸入輸出沒備、設備控制器及輸入輸出操作有關的軟硬件，輸入輸出系統的發展經歷了3個階段：
（1）程序控制I/
（2）直接存儲器訪問
（3）I/處理機
11.通道的分類及計算
通道處理機是IBM公司首先提出來的一種I/處理機方式。根據通道數據傳送方式的不同，可分為字節多路、選擇和數組多路三類通道。
字節多路通道：適用于連接大量低速設備，傳送一個字的時間短，但等待的時間長，可以多臺設備同時進行工作
數組通道：連接多臺高速設備，開始尋址輔助時間長，但傳送速成率高，采用成組交叉方式工作，傳送定長塊，可以多臺設備進行工作。
選對通道：優先級高的磁盤等高速設備，獨占通道，傳送不定長塊！
最大流量的計算：
字節多路通道的最大流量為各個設備的流量之和數組和選擇通道的最大流量為其中所掛載設備的最大流量。
12.外存系統
基礎概念
計算機的內存是動態RAM，當停機后其數據將丟失，而且RAM的大小有限，所以計算機系統需要一種能長久保存數據，且容量大的存儲設備，一般我們常說外存設備主要是指：磁盤、磁帶和光盤。
工作原理：對于磁盤之類的磁表面計錄方式是利用磁性材料的磁滯回歸線特征將數據記錄在磁性物體的表面。而對于光盤之類的設備是將數據以光學特征的形式存儲在盤片的表面。
技術指標：
存儲密度：是指單位長度或面積磁層表面所存儲的二進制數據量。
存儲容量：是指設備能存儲的信息的總量
均訪問時間：是指磁盤從發出讀寫命令到讀出或寫入信息所花的時間。
13.重疊和流水
重疊（流水）是指通過控制機構同進解釋兩條（多條以至整個段）程序的方式，從而加快整個機器語言程序的解釋
流水線的吞吐率：流水線的最大吞吐率為流水線中最慢子過程經過的時間。
提高吞吐率的手段：
多細分瓶頸子過程
重復設置套瓶頸段并聯
14.陣列處理機
定義：陣列處理機也稱并行處理機，它將大量重復設置的處理單元，按一定方式互連成陳列，在單一控制部件控制下對各自所分配的不同數據并行執行同一指令規定的操作，是操作級并行的SIMD計算機，處理單元是不帶指令控制部件的算術邏輯部件。
特點是：
利用資源重復，而不是時間的重疊。
利用并行中的同時性，而不是并發性！
15.多處理機
定義：是具有兩臺以上的處理機，在操作系統控制下通過共享的主存或輸入/出子系統或高速通訊網絡進行通訊。多處理機是屬于多控制流多數據流系統。
目的是：
用多臺處理機進行多任務處理協同求解一個大而復雜的問題來提高速度。
依靠冗余的處理機及重組來提高系統的適應性和可靠性，可用性。
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