计算机基础知识

1总线

（1）按相对于CPU或其它芯片的位置分：

内部总线：在CPU内部，寄存器之间和算术逻辑单元ALU与控制部件之间传输数据所用的总线

外部总线：CPU与内存、ROM和输入\输出设备接口之间进行通信的通路。

（2）按功能分

地址总线：传送地址信息

数据总线：传送数据信息

控制总线：传送各种控制信号

如RSA总线共有98条，其中数据线16条，地址线24条，其他为控制线、接地线、电源线

（3）按总线在微机系统中的位置

机内总线：一般总线是指机内总线

机外总线：与外设的接口标准，IDE、SCSI、USB、IEEE1394

串行接口：一次一位信息，连线少、适于长距离传送，但控制复杂、速度慢

并行总线：一次多位信息（一般为8的倍数），数据传输率高，控制简单，通常用于高速数据通道接口，但所需连线多，不适于远距离传送

常见接口：

• ST506 用于温盘
• ESDI 用于温盘、磁带机、光盘
• IDE 最常用磁盘接口，分普通IDE和增强型EIDE，普通IDE数据传输率小于1.5Mbps，宽度8位，最多连接4个IDE设备，每个设备不超过528M；增强型IDE数据传输率有三种，12Mbps-18Mbps，宽度32位，最多4个设备，每个设备可超528M
• SCSI：数据宽度8、16、32，是大容量存储设备、音频设备、和CD-ROM驱动器的标准。SCSI设备以菊花链形式介入，并被分配ID号（0-7），7分给SCSI控制器
• SCSI II：两种提高速度方法，一是提高数据传输频率，FAST SCSI 10Mbps；二是提高数据传输频率同时增大通路宽度，Wide SCSI 20Mbps
• PCMCIA：广泛用于笔记本电脑的接口标准，已更名为PC Card接口
• P1394：一种高速串行总线，用于连接外部设备，数据传输率高、价格低、易实现。不仅用于计算机系统，也广泛用于消费类电子设备。数据传输率可达400Mbps，新标准可达800Mbps，一个端口支持63个设备，使用雏菊链式连接方式，支持设备热插拔
• USB接口：一种串行总线式接口，USB1.0    1.2Mbps    USB2.0  480Mbps

热插拔：允许计算机在未关机状态下插入或拔除外部设备而不造成损害。

2 指令

由操作码、地址码组成

寻址方式：立即寻址、直接寻址、间接寻址、变址寻址

• 立即寻址：直接给出操作数，而非地址
• 直接寻址：直接给出操作数地址，或所在寄存器
• 间接寻址：给出的是指向操作数地址的地址
• 变址寻址：给出的地址需与特定地址值累加而得出操作数地址

指令执行：程序计数器存放指令地址，ＰＣ初值指向第一条指令地址，在顺序执行过程中，控制器首先按计数器指出的指令地址从内存中取出一条指令，然后分析并执行指令，同时将ＰＣ加１，指向下一条指令的地址。其中的１随存储器编址方式、指令长度等因素而不同

3.存储体系

CPU内部寄存器、高速缓冲存储器Cache、主存储器、外存

严格来说内部寄存器不算存储系统，在存储体系中，cache是最快的。Cache主要用于提高CPU输入\输出速率、依据是程序局部性原理

RAM：随机存储器

ROM：只读存储器

PROM：可编程ROM，只能一次写入

EPROM：可擦除、紫外线

EEPROM：电可擦除可写

闪速存储器：U盘使用，快速写入

地址映射：直接映射、全相联映射、组相联映射

淘汰算法：随机淘汰法、先进先出法、近期最少使用淘汰法LRU 命中率最高

写操作：

• 写直达：写Cache时，直接写回内存
• 写回：该行被淘汰时，写回内存
• 标记法：对Cache中每一位数据设置有效位、数据写入Cache时置1。当修改时，只写入内存同时有效位置0.当读时，如果有效位为1，从cache读，否则读内存

4.I/O系统三种工作方式

（1）程序控制方式：

输入输出完全由CPU控制、在I/O过程中，CPU必须等待其完成，限制了CPU高速能力。

优点：CPU主动查询外设状态，完成主机与外设的数据传送，方法简单，硬件开销小。

（2）中断工作方式：

中断就是打断CPU正在执行的工作，让CPU转而去处理其它更重要的更急迫的任务。使计算机摆脱按指令顺序执行的束缚，让计算机在并行性、分时操作、故障处理方面更加强大。

内部中断由中央处理器产生，有溢出、除法错、断点、软中断、单步中断。软中断实现操作系统功能调用和基本BIOS调用，单步中断实现程序调试。

外部中断分可屏蔽中断和不可屏蔽中断。

中断相应步骤：

1. 保护断点，即把下一步要执行的指令地址存入堆栈
2. 寻找中断入口：根据中断源查找入口地址
3. 执行中断处理程序：
4. 中断返回
   

（3）DMA工作方式：

DMA控制器DMAC与CPU共享系统总线，有独立访问存储器的能力。

工作过程：

1. 向CPU申请DMA传送
2. 获CPU允许后，DMAC接管系统总线控制权
3. DMAC控制下，存储器和外设间进行数据传送，此时无需CPU参与
4. 传送结束后，向CPU返回DMA操作完成信号

DMA与中断的根本区别在于：使用中断时，主存和输入输出控制器之间的数据传送仍然需要CPU操作，需使用CPU的寄存器等资源。

5.容错

当计算机由于种种原因在系统中出现数据、文件损坏或丢失时，系统能够自动将这些损坏或丢失的文件和数据恢复到发生事故之前的状态，使系统能够连续正常运行，一般通过冗余设计实现。

硬件冗余、软件冗余、信息冗余（纠错码）、时间冗余

60年代主要利用双处理器或双机的方法实现容错。

热备份：双机同步运行，互相监视，快速切换

冷备份：数据不能及时更新到备份系统，恢复时完整性、一致性差

6.基本概念

时钟频率：计算机的基本工作脉冲，也称时钟脉冲，主频

时钟周期：时钟频率的倒数，计算机中最基本、最小的时间单位，一个时钟周期内计算机只完成一个基本动作

机器周期：完成一个基本操作（取指令、存储器读、存储器写）所需时间，一个机器周期由若干时钟周期组成。

指令周期：执行一条指令所需时间，一般由若干机器周期组成，指令不同所需指令周期也不同。

MIPS：百万条指令/秒，反映CPU指令执行速度，Million Instructions Per Second

7.操作系统基本类型

批处理OS：Batch Processing Operating System

分时OS：Time Sharing..，时间片轮转方式执行多个终端命令

实时OS：对外部请求在严格时间范围内做出反应。

其它类型：嵌入式、个人计算机OS、网络OS、分布式OS

五大部件：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备

五大功能：处理机管理、存储管理、设备管理、文件管理、作业管理

虚拟存储技术：内存中保留一部分程序和数据，在外存中放置整个地址空间的副本。

8.进程控制

进程三状态：运行态、就绪态、等待态（阻塞态）

进程同步与异步：

• 信号量：一个整形S和一个队列。
• PV操作：P操作：S=S-1，若S<0，进程阻塞； V操作：S=S+1，若S<=，唤醒等待进程

互斥控制：不让两个进程同时访问某些资源，即阻止多个进程同时进入访问这些资源的代码段，这个代码段成为临界区，而这种一次只能允许一个进程访问的资源成临街资源。

   生产者-消费者模型

死锁

条件：互斥、保持等待、不可剥夺、环路等待

死锁预防：一次申请法、层次申请法

死锁避免：每次申请时，都判断这些操作是否安全，如银行家算法

死锁检测：等待图法

死锁解除：

管道：管道通信方式的中间介质是文件，称管道文件。两个进程利用管道通信时，一个是写进程，一个是读进程。写进程往管道文件中写入信息，读进程从管道文件中读取信息。两个进程不断的读写信息，就构成了双方通过管道传递信息的流水线。管道用缓存区存储数据，普通文件用磁盘存储数据。