28.1 计算机硬件基础

考点01：进制转换（二、八、十、十六）
略
考点02：原码、反码、补码、移码
原码：符号位+数值位（0表示正，1表示负）
反码：正数不变
负数符号位不变，数值位取反
补码：正数不变
负数的反码+1
移码：补码符号位取反
考点03：逻辑运算：与、或、非、异或 略
考点04：计算机结构
冯诺依曼体系结构：输入设备、存储器、运算器、控制器、输出设备
主存储器：存放指令和数据
CPU：运算器和控制器
考点05：CPU的作用（编号为考点04图内编号部件的作用）
拉制器：对指令进行译码

1. 存放指令的地址（下一条）

② 存放正在运行的指令
③ 存放指令当中的操作码
④ 时间控制

运算器：

① 算术逻辑计算
② 存放逻辑运算的数或中间结果
③ 暂存指令和数据
④ 保存数据状态

考点06：总线
包括数据总线、地址总线、控制总线
宽度：一次传送数据的单位
位数：决定寻址空间的大小
考点07：寻址方式： 寻找操作数所在地址
操作码：指令进行的操作
地址码：操作数在单元中的地址
考点08：寻址方式分类
1. 立即寻址方式
立即数：操作数包含在指令中，它作为指令的一部分，跟在操作码后存放在代码段。这种操作数称为立即数。
立即寻址方式所提供的操作数紧跟在操作码后面，与操作码一起放在指令代码段中，不需要到其他地址单元中去取。立即数可以是8位，也可以是16位。这种寻址方式主要用于给寄存器或存储单元赋初值的场合。
立即寻址方式是这七种寻址方式中速度最快的寻址方式。
2. 寄存器寻址方式
寄存器寻址的特点是操作数在CPU内部的寄存器中，在指令中指定寄存器号。
由于操作数在寄存器中，不需要通过访问存储器来取得操作数，所以采用寄存器寻址方式的指令执行速度较快。
3. 直接寻址方式
直接寻址的操作数在存储器中，指令直接包含有操作数的有效地址。
4. 寄存器间接寻址方式
寄存器间接寻址的操作数在存储器中，操作数有效地址在寄存器中。
5. 寄存器相对寻址方式
该寻址方式是以指定的寄存器内容，加上指令中给出的位移量（8位或16位），并以一个段寄存器为基准，作为操作数的地址。指定的寄存器一般是一个基址寄存器或变址寄存器。
6. 基址变址寻址方式
基址加变址寻址方式是指将寄存器（该寄存器一般指基址寄存器）的内容与指令中给出的地址偏移量相加，从而得到一个操作数的有效地址。
7. 相对基址变址寻址方式
操作数在存储器中，操作数的有效地址由基址寄存器之一的内容与变址寄存器之一的内容及指令中给定的位移量相加得到。
考点09：Flynn

考点08：CISC和RISC

考点10：流水线
流水线执行时间:
(++)+ (n-1)
其中是线水线周期中，执行时间最长的一段。
例:若指令流水线把一条指令分为取指、分析和执行三部分，且三部分的时间分别是取指2ns,分析2ns,执行1ns。 那么，流水线周期是? 100条指令全部执行完毕需要的时间就是?
解答: (2+2+1) +(100-1) * 2 = 203ns

考点11：流水线技术指标
吞吐率:=n/
数据执行周期

加速比: S=/
效率
考点12：存储系统结构
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;
考点13：存储器存储方式
顺序存取(磁带)：改写数据不方便
直接存取(硬盘)：共享读写装置
随机存取(内存)：根据地址读写数据
相联存取(Cache)：按内容进行存储
考点14：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是存储单元(word,即字)的数量，
B表示每个word由多少bit (位)组成。
如:某一芯片规格为,则组成的存储器需要(W/w) (B/b) 个芯片。
考点15：存储器系统：用来存放数据和程序。
①主存储器：内存，存放正使用或随时使用的数据或程序，CPU可直接访问，一般有RAM和ROM组成。RAM：随机存储器，也叫读写存储器，停电丢失。ROM：只读存储器，只能读不能写，停电不丢。主存大都使用RAM。DRAM动态随机存储器，双倍DDR4主存构成有：地址寄存器、数据寄存器、存储体、控制线路、地址译码电路。
②相联存储器：CAM，按照内容寻址，查关键字
③直接存取存储器：DAM，直接对主存信息存取。
④高速缓冲存储器：Cache，位于CPU和主存之间，为了解决CPU和主存速度不匹配的问题，有硬件完成。
地址映像：全相联映像（任意一对一）、直接映像（绝对一对一）、组相联映像（先分成组，再映像，组间是直接映像，组内是全相联映像）。
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，
例如：按字节编址，地址从A4000H-CBFFFH, 则表示有(CBFFF-A4000)+1个字节，即28000H个字节，也就是163840个字节，等于160KB。
存储容量相关术语:
位:用bit表示，一个二进制表示1 bit;
字节:用B表示，1B=8bit;
字:实际表示CPU一次处理的二进制位数，通常为字节的整数倍。对应的字长有8/16/32/64bit;
考点16：cache
如果Cache的访问命中率为h,而Cache的访问周期时间是,主存储器的访问周期时间是,则整个系统的平均访存时间就应该是:
= h + (1-h) x
考点17：cache淘汰算法

先进先出算法
最近最少使用算法
随机算法

考点18：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时读取，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
考点19：RAID — RAID 0
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%
考点20：RAID — 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
利用率为50%
考点21：RAID — RAID 3
采用有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，可靠性较好
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
考点22：RAID — RAID 5
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盘中，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
考点23：RAID — RAID 6
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，都叫RAID6
磁盘利用率:(n-2)/n
考点24：RAID — RAID10
结合RAID 1和RAID O,先镜像，再条带化

考点25：RAID 2.0优势（虚拟池化技术：将数据均匀的分布到每一个磁盘）

快速重构
自动负载均衡
系统性能提升
自愈合

例题分析:
1、流水线的吞吐率是指单位时间流水线处理的任务数，如果各段流水的操作时间不同，则流水线的吞吐率是( )的倒数。
A.最短流水段操作时间 B.各段流水的操作时间总和
C.最长流水段操作时间 D.流水段数乘以最长流水段操作时间
2、地址编号从80000H到BFFFFH且按字节编址的内存容量为KB,且按字节编址的内存容量是( ) KB,若用16K x4bit的存储器芯片构成该内存，共需( )片。
A.128 B.256 C.512 D.1024
A.8 B.16 C.32 D.1024
解析：
BFFFFH-80000H+1=40000H
40000H/1024=256KB
256KB/(16K4bit) =32
3、CPU执行一段程序时，Cache完成存取的次数为5000次，主存完成存取的次数为200次。已知Cache的存取周期为40ns，主存的存取周期为160ns. 其两级存储器的平均访问时间为（）
A. 41 B. 44 C. 44.6 D.48
解析：
[500040+200160]/ [5000+200] =44.6
4、某机器字长为n，最高位是符号位，其定点整数的最大值为( )。
A -1 B -1 C D
解析：
依题意，该机器字长为n位，最高位是符号位,数据位则有n-1位，可表示的整数范围为0到次方个，其结果是-1。
5、为了便于实现多级中断，使用( )来保护断点和现场最有效。
A ROM B中断向量表 C通用寄存器 D堆栈
解析：
堆栈都是一种数据项按序排列的数据结构，只能在一端(称为栈顶(top)对数据项进行插入和删除。要点:堆，顺序随意。栈，后进先出( Last-In/First-0ut)。
为了于实现多级中断，使用堆栈来保护断点和现场最有效。
6、Flynn分类法基于信息流特征将计算机分成4类，其中()只有理论意义而无实例。
A SISD B MISD C SIMD D MIMD
解析：
按照Flynn分类法，根据计算机中指令和数据的并行状况可把计算机分成：
单指令流单数据流(SISD)-传统的计算机包含单个CPU，它以存储在内存中的程序那里获得指令，并作用于单一的数据流。
单指令流多数据流(SIMD)-单个的指令流作用于多于一个的数据流上。例如，有数据4、5和3、2，一个单指令执行两个独立的加法运算:4+5和3+2，就被称为单指令流多数据流。SIMD的一个例子就是一个数组或向量处理系统，定可以对不同的数据并行执行相同的操作。
多指令流单数据流(MISD)-用多个指令作用于单个数据流的情况实际上很少见。这种冗余多用于容错系统。
多指令流多数据流(MIMD)-这种系统类似于多个SISD系统。实际上，MIMD系统的一个常见例子是多处理器计算机，如Sun的企业级服务器。
7、假设某分时系统采用简单时间片轮转，当系统中的用户数为n，时间片为q时,系统对每个用户的响应时间T为( )。
A n B q C nq D n+q
解析：
采用简单时间片轮转发，当系统中的用户数为n，时间片为q时，系统对每个用户的响应时间T为nq。
8、计算机采用8位整数补码表示数据，则( )运算将产生溢出。
A -127+1 B -127-1 C 127+1 D 127-1
解析：
在原码表示法中，符号位要单独处理，且用最左边二进制位的状态“0”、“1”分别表示正、负号。正数的补码表示与原码相同；负数的补码表示为原码的符号位不变，对其余位逐位取反再加1。8位整数补码的表示范围为-128-+127。
对于选项B的算式-127-1=-128，正好8位补码表示的最小负数，不会产生溢出。对于选项C的算式127+1=128，而8位补码表示最大为127，因此说明该算式的运算结果产生溢出。

9、若某条无条件转移汇编指令采用直接寻址，则该指令的功能是将指令中的地址码送入()。
A PC(程序计数器) B AR(地址寄存器) C ACCI累加器) D ALU(算术逻辑运算单元)
解析：
直接寻址是指操作数总是在存储器中，存储单元的有效地址由指令直接指出。
若某条无条件转移汇编指令采用直接寻址，则该指令的功能是将指令中的地址码送入程序计数器(PC)
10、在程序的执行过程中，Cache与主存的地址映像由()。
A专门的硬件自动完成 B程序员进行调度
C操作系统进行管理 D程序员和操作系统共同协调完成
11、若某计算机系统的I/O接口与主存采用统一编址，则输入/输出操作是通过( )指令来完成的。
A控制 B中断 C 输入/输出 D访存
12、总线复用方式可以()。
A 提高总线的传输带宽 B 增加总线的功缺
C 减少总线中信号线的数量 D 提高CPU利用率
13、在计算机系统中采用总线结构,便于实现系统的积木化构造，同时可以( )
A 提高数据传输速度 B 提高数据传输量
C 减少信息传输线的数量 D 减少指令系统的复杂性
解析：
在计算机系统中采用总线结构，便于实现系统的积木化构造(即便于采用模块化结构设计)：
可以减少信息传输线的数量，简化了系统结构;
利于系统的规模和功能扩展：便于故障诊断和维修等
14、利用结构化分析模型进行接口设计时，应以( )为依据。
A数据流图 B数据字典 C实体-关系图 D状态-迁移图
15、一台图像扫描仪使用以150DPI分辨率扫描一副4英寸3英寸的圈片， 得到24位真彩se图像的数据量是() Byte。
A 12000 B 180000 C 810000 D 960000
解析：
先计算像素点个数=4l503150=270000个， 每个点的颜色是24bit， 合24/8=字节， 此一共2700003=810000个字节。
16、在程序运行过程中, CPU 需要将指令从内存中取出并加以分折和执行。 CPU 依据()来区分在内存中以二进制编码形式存放的指令和数据。
A 指令周期的不同阶段 C 指令和数据的寻址方式
C 指令操作码的译码结果 D 指令和数据所在的存储单元
17、计算机指令一般包括操作码和地址码两部分,为分折执行一条指令,其().
A 操作码应存入指令寄存器(IR),地址码应存入程序计数器(PC)
B 操作码应存入程序计数器(PC),地址码应存入指令寄存器(IR)
C 操作码和地址码都应存入指令寄存器
D 操作码和地址码都应存入程序计数器
18、计算机中表示地址时使用()
A无符号数 B原码 C反码 D补码
*19、计算机机房的耐火等级不得低于（）
A 1级 B 2级 6 + C 3级 D 4级