2022上半年自整理网络工程师备考笔记

计算机硬件基础

1.数据的表示

十转二：除二取余，倒数上去，8421

按位权展开：

十六进制 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F

计算机的原码 反码 补码

原码：符号位+数值位 ：符号位：正数为0，负数为1

正数的原码 反码 补码 都是它本身

负数的反码：除符号位外 全部取反

负数的补码 = 负数的反码+1

原码、反码、补码取值范围：定点整数：（-127，127）定点小数：(1,-1)

2.逻辑运算：

逻辑或运算：一真则真

逻辑与运算：一假则假

逻辑非

异或运算：不同为1，相同为0

3.计算机结构

符合冯·诺伊曼结构

运算器和控制器共同构成CPU：

运算器：算累数壮

①算术逻辑单元ALU：

执行算术运算和逻辑运算，主存储器调取数据

②累加寄存器AC：

暂时存放参与算术逻辑和逻辑运算的数据

③数据缓冲寄存器cache：

暂存从主存中读取的数据

④状态条件寄存器：

各个条件码的标志，溢出标志、进位标志等

控制器：（程程指时）通过程序计数器pc获取指令，然后把指令送到指令寄存器IR，然后把指令放到译码器进行译码分析指令要干什么，通过时序部件进行顺序的排列

①程序计数器PC：

下一条指令地址

②程序计数器IR：

正在被执行的指令

③指令译码器：

操作码和地址码

④时序部件：

对执行操作的时许

数据总线：宽度：一次可以传输的二进制的位数 （bit）

地址总线:用于传输地址总线的位数：寻址空间的大小

4.指令系统基础–寻址方式

操作码：是指令要完成操作的的性质（数据的值）

地址码：对应操作数在计算机中的地址

寻址：寻操作数所在的地址

操作数不止可以存储在主存器中，还可以存放在不同的寄存器中，相应的也就衍生出了不同的寻址方式

操作码	地址码

①立即寻址：（地址码是操作数）获取操作数速度快，但是操作数长度限制

操作码	操作数

​

②变址寻址

操作码	&变址寄存器（基址4+）

③直接寻址

操作码	&操作数所在地址

④间接寻址

操作码	&地址（&操作数的地址）

变址寻址、直接寻址、间接寻址中的操作数都是存放在主存当中

寄存器也是存储器的一种，速度比cache快 但是容量小

⑤寄存器寻址

操作码	&寄存器的地址（操作数）

⑥寄存器间接寻址

操作码	&寄存器的地址（&地址（操作数））

5.CISC（复杂）友好与RISC（精简）高效

6.Flynn

处理指令流

SISD:Single Instruction Single Data

MISD:Multi Instruction Single Data:多条指令控制一个数据流 理论有意义，不实际不可能

7.流水线

压榨

特点：

①大规模、大量的生产

②各个工序被划分开来、每个工序分配到不同的岗位

计算机：取指阶段-------分析阶段--------执行阶段。

每一条指令都需要 三个时钟周期 （在没有用流水线的情况下）

并行操作三条指令 需要5个时钟周期

流水线周期

流水线执行时间（t1+t2+t3）+(n-1)t1

其中t1是流水线周期 ，表示执行时间最长的一段

例题

若指令流水线把一条指令分为取值、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是多少？

解答： （2+2+1）+（100-1）*2=203ns

流水线技术指标

吞吐率：执行n条指令需要流水线的时间

加速比：采用流水线和不采用流水线时间之比

8.存储系统结构

CPU：寄存器

缓存：cache

辅存：外部存储器

容量、读取速度、成本。

从 辅存–>主存–>缓存–>cpu：

容量是：大–>小；

读取速度：慢–>快；

成本：低->高；

多级存储结构共同存在

主存：随机存储器RAM（可写，掉电丢失）和只读存储器存储器ROM（掉电不丢失），主存可以映射到缓存里面；可读可写：DRAM动态存储器（电路刷新） SRAM静态存储器

缓存：cache告诉缓冲器，实现缓和cpu和主存之间的速率矛盾

存储系统的存取方式

顺序存取（磁带）

直接存取（硬盘）共享读写装置

随机存取（内存）地址读取

相联存取（Cache）

9.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*B，字X位，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:某一芯片规格位WB，则组成W * B的存储器需要（W/w）（B/b）个芯片。

4*16需要多少快 : (4/2) * (16/4)=8块芯片

16B=8bit

主存储器（内存）采用：随机存储方式存储，需要每个存储单位进行编址。而在存储器中，通常以word为单位进行标识，即每个字一个地址，通常16进制表示

表示存储容量相关术语：

位：用bit表示，一个二进制位表示1bit

字节：用B，1B=8bit

字：实际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；

例题

虚拟存储技术：扩大存储空间

10.Cache（高速缓冲存储器）

访问命中率是指CPU去Cache中访问，所访问的东西在Cache中的概率

而如果不在Cache中就要去访问主存

​ 如果Cache的访问命中率为h，而Cache的访问周期时间是t1，主存储器的访问周期是t2，则整个系统的平均访问时间应该是：

​ t3=h*t1 + （1-h） * t2

Cache淘汰算法

（为了满足当Cache中内容满了之后所丢弃的数据）

先进先出算法

最近少使用算法

随机算法

例题

11.RAID技术

​ Raid——Redundant Array of Independent Disks，独立磁盘冗余阵列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

11.RAID0技术

​ 应用**Data Striping（数据分段）**技术，将所有的硬盘构成一个磁盘阵列，可以同时对多个硬盘做读写动作，但是不具备备份以及容错能力，它价格便宜，磁盘使用效率最佳，写入速度块，但是可靠度是最差的

磁盘利用率100%

RAID1技术

​ RAID1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

率用率 50%

11.RAID3技术

​ 采用特定奇偶校验盘的数据技术，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

​ 硬盘率用率=（n-1）/n

11.RAID5

​ 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，相当于程度的分散了负载，故有较好的性能，硬盘率用率=（n-）/n

11.RAID6技术

​ RAID6 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

​ 磁盘率用率：（n-2）/n

11.RAID技术的结合

​ RAAID10结合RAID1和RAID0，先镜像，再条带化

12.RAID2.0技术

RAID2.0优势

快速重构

自动负载均衡(读写速度块)

系统性能提升

自愈合

例题

13.系统的可靠性

失效率：单位时间内发生故障的概论

平均无故障时间MTBF

平均故障修复时间MTTR

可用性：系统可以无故障运行的概论

计算系统可靠性

串行：

并行：

例题

主存主要由DRAM构成

自愈合

例题