[IT认证]软考备考计算机系统基础.doc
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1、第一章第一章 计算机系统基础计算机系统基础(胡继荣)(胡继荣) 1.1 计算机硬件系统。 计算机系统由硬件系统与软件系统组成。硬件系统是计算机系统中看得见、摸得着的物理装置,软件是程 序、数据和相关文档的集合。其实从计算机问世以来,其更新换代实质上是硬件的更新换代。计算机的基本工 作原理是存储程序控制的原理,其基本结构属于冯诺依曼型计算机,即电子数字计算机。它至少应由运算器、 控制器、存储器、输入设备和输入设备五部分组成。 1.1.1 CPU CPU 是计算机系统的核心部件,由运算单元(ALU) 、控制单元(CU) 、寄存器组以及总线接口部件等组 成。ALU 负责完成算术、逻辑运算功能;CU
2、控制计算机指令的执行过程;寄存器组用来存放正在执行过程中 的指令、操作数和中间结果。ALU 和 CU 通过 CPU 内总线连接,CPU、存储器和 I/O 设备通过系统总线连接 1 CPU 中的主要寄存器 CPU 中的寄存器是用来暂时保存运算和控制过程的中间结果、最终结果以及控制、状态信息信息的。其存 取速度相对主存、辅存来说是最快的。 主要寄存器有:通用寄存器组、控制和状态寄存器。 寄存器类型作 用 通用寄存器组是 CPU 中的一组工作寄存器,用于存放原始数据和运算结果。 程序计数器 PC用于存放下在执行的指令或接下来要执行的下一条指令地址 指令寄存器 IR存放从存储器中取出的指令,在执行指令
3、的过程中,指令寄存器的内容不能改变 存储器数据寄存器MDR 用于存放由主存读出的一条指令或数据 存储器地址地址寄 存器 MAR 保存当前 CPU 所访问的主存单元地址 程序状态字寄存器PSW 存放程序的状态字,程序状态字的各位表示程序和机器的运行状态。 2 CPU 特性 CPU 的主要功能是负责统一协调、管理和控制系统中的各个部件有机地工作。其主要特性是: CPU 是通过总线对存储器和 I/O 操作进行控制的。 CPU 通过执行一条条简单的指令来完成任何一种复杂的操作或一项任务。 CPU 拥有简单而实用的以实际数值为基础进行判断的能力,即通过简单的判断来实现对程序流向的控制。 3 指令系统与寻
4、址方式 在计算机中要执行的各种操作命令称为指令。计算机指令以二进制编码的形式存放在存储器中,用二进制 编码形式表示的指令称为机器指令,CPU 可以直接识别机器指令。计算机所能执行的全部命令的集合即为该计算 机的指令系统。 在计算机中要执行的各种操作命令称为指令。计算机指令以二进制编码的形式存放在存储器中,用二进制 编码形式表示的指令称为机器指令,CPU 可以直接识别机器指令。计算机所能执行的全部命令的集合即为该计算 机的指令系统。 指令格式 计算机中的汇编指令由操作码和操作数两部分组成: 操作码表示计算机要执行的某种指令功能,由它来规定指令的操作类型,说明计算机要执行的具体操作。 操作码用二进
5、制编码来表示,该字段越长,所能表示的指令就越多。若操作码长度为 n,则可表示的指令为 2n。 根据指令中地址码的数量,指令格式可分为三地址指令、二地址指令、一地址指令和无地址指令。 操作数表示计算机在操作中所需要的数据,或者所需数据的存放位置(也称为地址码) ,还可以是指向操 作数的地址指针或其它有关操作数据的信息。 寻址及寻址方式 计算机的指令中通常要指定操作数地址信息,在执行时需要根据这个地址信息找到需要的操作数,这种寻 找操作数的过程称为寻址。 寻址方式就是寻找操作数或操作数地址的方式。8086 指令中有以下几种寻址方式: 立即数寻址方式:指操作数包含在给定的指令中,紧跟在操作码之后。
6、直接寻址方式:操作数存放在内存单元中,指令中直接给出操作数所在内存单元的地址。 寄存器寻址方式:是在指令中直接给出寄存器名,寄存器中的内容即为所需操作数。 寄存器间接寻址方式:操作数所在存储单元地址在指定的寄存器中,操作数则存放在内存单元中。 间接寻址:指令中给出的是存放操作数地址的地址。 相对寻址方式:指令地址码部分给出一个偏移量,操作数地址等于本条指令的地址加上该偏移量。 变址寻址方式:操作数地址等于变址寄存器的内容加偏移量。 指令的种类:数据传送类指令、I/O 类指令、算术运算类指令、逻辑运算类指令、移位操作类指 令、串操作类指令、程序控制转移类指令、处理器控制类指令、数据转换指令。 1
7、.1.2 存储器 存储器是计算机中用来存储信息的记忆部件,用来存放程序、原始数据、中间结果及最终结果。存储器由 许多存储单元构成。为了区分不同的存储单元,给每个存储单元一个编号,称为地址。在运行程序时,CPU 自 动连续地从存储器中取出指令并执行指令规定的操作,计算机每完成一条指令,至少要执行一次访问存储器的 操作,并把处理结果存储在存储器中。因此,存储器是微机系统不可缺少的组成部分,是计算机中各种信息的 存储和交流中心。 计算机的存储系统由多种存储设备组成,主要有存取速度、存取方式、存储容量和成本等性能指标。 1 存储器的存取方式 存储器按存取方式分类,可以分为随机存取存储器、只读存储器、顺
8、序存储器和直接存储器四类。 只读存储器 ROM ROM 中所存储的内容是固定不变的,即只能读出不能写入。ROM 一般用来存放微机的系统管理程序、监 控程序等。 随机存取存储器 RAM RAM 中的任意一个存储单元都可被随机读写,且存取时间与存储单元的物理位置无关,读写速度较快。 RAM 主要用来存放输入、输出数据及中间结果并与外存储器交换信息。 顺序存取存储器 SAM SAM 只能按照某种次序存取,即存取时间与存储单元的物理位置有关。由于按顺序读写的特点以及工作速 度较慢,常用作外存存储器,例如磁带就是一种典型的顺序存储器。 直接存取存储器 DAM DAM 在存取数据时不必对存储介质做完整的顺
9、序搜索而可以直接存取。例如磁盘和光盘都是典型的直接存 取存储器,磁盘的逻辑扇区在每个磁道内顺序排列,邻近磁道紧接排列,读取磁盘中某扇区的内容时先要寻道 定位,然后在磁道内顺序找到相应扇区。 2 存储器的性能 计算机一般对存储系统有如下性能指标要求: 存储容量 是指存储器可以存储的二进制信息总量。目前使用的存储容量达 MB(兆字节) 、GB(千兆字节) 、TB(兆 兆字节)或更大的存储空间。存储容量通常以字节(Byte)为单位来表示,各层次之间的换算关系为: 1KB=210B=1024B;1MB=220B=1024KB; 1GB=230B=1024MB;1TB=240B=1024GB 存取速度
10、存储器的存取速度可以用存取时间和存取周期来衡量。 存取时间:是指完成一次存储器读/写操作所需要的时间,故又称读写时间。具体是指从存储器接收到寻 址地址开始,到取出或存入数据为止所需要的时间。 存取周期:是连续进行读/写操作的所需的最小时间间隔。当 CPU 采用同步时序控制方式时,对存储器读、 操作的时间安排,应不小于读取和写入周期中的最大值。这个值也确定了存储器总线传输时的最高速率。 价格:存储器的价格也是人们比较关心的指标。一般来说,主存储器的价格较高,辅助存储器的价格较 低。 存储器带宽:每秒能访问的位数。计算公式:1/存储器周期每周期可访问的字节数。 数据传输率:每秒输入/输出的数据位数
11、。 随机存取传输率=1/存储器周期 非随机存取读写 N 位所需平均时间=平均存取时间+N 位/数据传输率 3 主存储器的组成 实际的存储器总是由一片或多片存储器芯片配以控制电路构成的。单个存储芯片的存储容量是有限的,因 此常常需要将多片存储器按一定方式组成具有一定存储单元数的存储器。 单个存储芯片其容量为“字数位数” , “字”是存储单元(Word)的数量, “位”表示每个存储单元由多少位 (bit)组成。如果某一芯片规格为 16K8,则组成 64K16 的存储器需用(64/16)K (16/8)=8 个芯片。这种扩 展的方法通常称为字扩展法,具体实现时,一般将新加芯片的地址线、数据线和读/写
12、控制线与原有的芯片相应 线并接,片选线由地址总线高位控制。进行位扩展时,要用需扩展的总容量除以单个存储芯片的容量。如果用 8K1 的存储芯片组成 8K8 的存储容量,需要的芯片数量是 8 片。实现时只需将对应的数据线、系统总线的 地址线与存储芯片的地址线相连,由于无片选信号的要求,所以将片选信号直接接地。 存储系统的多级层次结构:我们可以把各种不同存储容量、存取速度和价格的存储器按层次结构组成多层 存储器,并通过管理软件和辅助硬件有机组合成统一的整体,使所存放的程序和数据按层次分布在各种存储器 中,形成存储系统的多级层次结构。目前,在计算机系统中通常采用三级层次结构来构成存储系统,主要由高 速
13、缓冲存储器 Cache、主存储器和辅助存储器组成。下图为多级存储器体系示意图。 4 主存储器的地址编码 主存采用的是随机存取方式,需要对字节编址每个数据块进行编码,而在主存储器中数据块是以 word 来标 志,即每个字一个地址。一般用十六进制数来表示。内存是由若干个存储单元组成的,每个存储单元有一个编 号,这种编号可唯一标识一个存储单元,称为内存地址(或物理地址) 。 存储器内部是按字节进行组织的,两个相邻的字节被称为一个“字”。例如:某存储器按字节编址,其地址 从 A4000H 到 CBFFFH,那么该存储器可表示(CBFFFHA4000H)+1 个字节(或 160KB) ,即地址数共有 2
14、8000H 个。 需要注意的是:编址的基础可以是字节,也可以是字,要算地址位数,首先应计算要编址的字或字节数, 然后求 2 的对数即可得到。 5 Cache 基础 在存储系统的层次结构中引入 Cache(高速缓冲存储器)是为了解决 CPU 与主存之间的速度差异,以提高 CPU 工作效率。高速缓存 Cache 是一种存储空间较小而存取速度却很高的存储器,它位于 CPU 和主存之间,用 来存放 CPU 频繁使用的指令和数据。由于使用高速缓存后可以减少存储器的访问时间,所以对提高整个处理机 的性能非常有益。 Cache 的全部功能由硬件实现,并且对程序员来说是“透明”的,程序员不需要明确知道高速缓冲
15、存储器的 存在。Cache 的存在,使得程序员面对一个既有 Cache 速度,又有主存容量的存储系统。CPU 不仅和与 Cache 相连,而且和主存之间也要保持通路。 Cache 的实现原理:在计算机系统中配备 Cache 的基础是基于程序访问的局部性原理基于程序访问的局部性原理,即要被访问的数据 大多集中在存储器的某个局部区域。 Cache 的命中率与淘汰率:是用百分数表示的一种概率,是 CPU 访问 Cache 时,它所找到的与要 找的信息的百分比。若 Cache 的访问命中率为 h, (则其淘汰率为 1-h)而 Cache 的访问周期是 t1,主存储器的 访问周期时间为 t2,则整个系统
16、的平均访存时间 t3=ht1+(1-h) t2。 Cache 的淘汰算法:随机淘汰、先进先出淘汰(FIFO) 、近期最少使用算法(LRU) 。 Cache 存储器的写操作:写直达(写 Cache 时,同时写入主存) 、写回(写 Cache 时不马上写主存,等其淘汰时回写) 、标记法(这种方案实际上是一种带缓冲的写直达,这种写方案是把欲写到 Cache 中的数据先复制到一个缓冲存储器中去。然后再把这个副本写回主存储器) 。 6 磁盘存储器基础 磁盘存储器是最常见的一种外部存储器,可分为软盘和硬盘两种。 软盘常见技术指标 面数:仅有一面盘面存储信息的软盘称为单面盘。PC 机所用的软盘均为双面存储信
17、息,称为双 面盘。其中一面为 0 面,另一面为 1 面。 磁道数:磁盘存储的信息是按一系列同心圆的格式写在磁盘表面的磁介质上,每个同心圆称为一 个磁道。磁道是从外向里依次编号的。 扇区数:盘片的每个磁道均划分为若干个弧段,每个弧段称为一个扇区,扇区是磁盘的基本存储单位, 每个扇区的存储容量统一为 512 字节。扇区是磁盘的基本存储单位,每个扇区的存储容量统一为 512 字节。对 软盘进行读写时,无论数据多少均读/写一个或几个完整的扇区。 存储密度:存储密度包括道密度和位密度。道密度是沿磁盘径向单位长度内的磁道数,单位为 TPI(每英 寸磁道数) ;位密度是每一磁道内单位长度所记录的二进制数的位
18、数,单位是 BPI(每英寸数据位数) 。 存储容量:存储容量是指软盘所能存储的数据总量,单位为:字节。软盘格式化以后存储容量可以进行 计算,计算公式为:存储容量=每扇区字节数(512)每磁道扇区数每盘面磁道数盘面数 硬盘及其性能指标 硬盘存储器具有体积小、容量大、读/写速度快、使用方便的优点,所以它是 PC 机最重要的外存储器。硬 盘存储器外部用一个铝合金外壳把内部的主要部件封闭起来如图。硬盘外部主要有:电源接口、数据接口、控 制电路板、固定盖板及安装螺孔等。 柱面数:硬盘是由多层圆形盘片沿着同一中心轴重叠而成,一般盘片数为 214 张,格式化时每片均分 出相等的磁道,并从外向里进行编号,这样
19、各个盘片上编号相同的磁道在空间上形成一个空芯的圆柱面存储结 构,这个圆柱面称为硬盘的柱面,显然硬盘的柱面数等于盘片上的磁道数。 容量:硬盘的存储容量为所有单盘片容量之和,单位为:吉字节(GB) 。目前硬盘容量多为 40180GB。作为 PC 机的外存储器,硬盘容量越大越好,但限于成本和体积,盘片数目宜少不宜多,因此提高 单片容量是提高硬盘容量的关键。 平均等待时间:数据所在的扇区转到磁头下的平均时间,它是盘片旋转周期的 1/2,单位为毫秒(ms) 。 平均寻道时间:指磁头移动到数据所在磁道(柱面)所需要的平均时间,单位为毫秒(ms) 。这是衡量 硬盘机械能力的重要指标,平均寻道时间越小越好,一
20、般在 5l0ms 之间。 平均存取时间:指磁头从起始位置到达目标位置稳定下来并从目标位置上找到要读/写的数据的扇区所需 要的全部时间,单位为毫秒(ms) 。平均存取时间等于平均寻道时间与平均等待时间之和。平均存取时间最能代 表硬盘找到某一数据所用的时间,平均存取时间越短越好。 数据传输速率:也称磁盘的吞吐率,它分为外部数据传输速率和内部数据传输速率。通常外部数据传输 速率又称为接口传输速率,是指主机接口向硬盘缓存写入数据的速度,单位为兆字节/秒(MB/s) 。 主轴转速:指硬盘内主轴的转动速度,单位为转/分(r/min) 。 连续无故障时间(MTBF):指从开始运行到出现故障的最长时间,单位为
21、小时(h) 。 旋转延迟时间:磁头到达指定磁道,必须等待所需要的扇区旋转到读/写磁头下的时间。 传送时间:信息在磁盘和内存之间的实际传送时间。 相关公式 硬盘容量磁头数柱面数扇区数扇区容量(硬盘的第一面和最后一面是保护用的,计算时要减掉) 磁道数=(外半径-内半径)道密度记录面数 非格式化容量=最大位密度最内圈直径总磁道数 格式化容量=每道扇区数扇区容量总磁道数 平均数据传输速率=每道扇区数扇区容量盘片容量盘片每分钟转数 存取时间=寻道时间+等待时间 (寻道时间为磁头移动到磁道所需的时间;等待时间为等待读写的扇区转到 磁头下方所用的时间。 磁盘服务总时间=寻道时间+旋转延迟时间+传送时间 7.
22、 虚拟存储器 虚拟存储器(Virtual Memory)是以存储器访问的局部性为基础,建立在“主存辅存”物理体系结构上 的存储管理技术。虚拟存储技术的基本思想是把有限的内存空间与大容量的外存统一管理起来,构成一个远大 于实际内存的、虚拟的存储器。此时,外存是作为内存的直接延伸,用户并不会感觉到内、外存的区别,即把 两级存储器当作一级存储器来看待。一个作业运行时,其全部信息装入虚存,实际上可能只有当前运行的必需 一部分信息存入内存,其他则存于外存,当所访问的信息不在内存时,系统自动将其从外存调入内存。 虚拟存储系统是在存储层次结构基础上,通过存储器管理部件 MMU 进行虚拟地址和实际地址自动变换
23、而实 现的。虚拟存储器允许用户把主存、辅存视为一个统一的虚拟内存。用户可以对海量辅存中的存储内容按统一 的虚址编排,在程序中使用虚址。在程序运行时,当 CPU 访问虚址内容时发现已存于主存中,可直接利用;若 发现未在主存中则仍需调入主存,并存在适当空间,待有了实地址后,CPU 就可以真正访问使用了。上述过程虽 未改变主存、辅存的地位和性质,但最重要的是原来由程序进行的调度工作改由计算机系统的硬件和操作系统 的统一管理下自动进行,辅存相对用户来讲是透明的,大大方便了用户。用户在 PC 机虚拟保护工作方式下,允 许使用高达 64TB 海量的存储器空间,可以多任务、多用户的同时使用计算机。 CPU
24、以逻辑地址访问主存,由辅助硬件和软件确定逻辑地址和物理地址的对应关系,判断这个逻辑地址指 示的存储单元内容是否已装入主存。如果在主存,CPU 就直接执行该部分程序或数据;如果不在主存,系统存储 管理软件和辅助硬件就会把访问单元所在的程序块从辅存调入主存,并把逻辑地址转换成实地址。 在实际应用中,根据如何对主存空间与磁盘空间进行分区管理,虚实地址怎样转换,采取何种替换算法等, 可以有 3 种方式:页式、段式和段页式虚拟存储器。 1.1.3 输入输出系统 微型计算机系统的输入和输出通常是指计算机与外部设备之间的信息交换,也称为通信。输入/输出系统是 计算机与外界进行数据交换的通道。各种外部设备与计
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