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计算机组成原理

一、总线

1.1、总线的概念：

• 是链接各个部件的信息传输线，是各个部件共享的传输介质

1.2、信息的传送:

• 串行：一次只能传输一次信号，速度慢，成本低，适合距离较远

• 并行：一次能传输多次信号，速度快，成本高，适合近距离传输

1.3、总线的分类：

• 片内总线：芯片内部的总线

• 系统总线：计算机各部件之间的信息传输线

  • 数据总线：双向 与机器字长、存储字长有关

  • 地址总线：单向 与存储地址、I/O地址有关

  • 控制总线：有出 有入 存储器读、存储器写、总线允许、中断确认、中断请求、总线请求

• 通信总线：用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统（如控制仪表、移动通信等）之间的通信

• 传输方式：串行通信总线和并行通信总线

1.4、总线的特性及性能指标：

（1）总线特性：

• 机械特性：尺寸、形状、管脚数、排列顺序
• 电器特性：传输方向和有效的电平范围
• 功能特性：每根传输线的功能（地址、数据、控制）
• 时间特性：信号的时序关系

（2）总线的性能指标：

• 总线宽度：数据线的根数
• 标准传输率：每秒传输的最大字节数（MBps）
• 时钟同步/异步：同步、不同步
• 总线复用：地址线与数据线的复用
• 信号线数：地址线、数据线和控制线的总和
• 总线控制方式：突发、自动、仲裁、逻辑、计数
• 其他指标：负载能力

（3）总线的标准：

• 系统总线标准：ISA、EISA、VESA、PCI、PCI-Express
• 设备总线标准：IDE、AGP、RS-232C、USB、SATA、SCSI、PCMCIA
• 局部总线标准：在ISA总线和CPU总线之间增加的一级总线或管理层，可以节省系统的总带宽，如PCI、PCI-E、VESA、AGP

1.5、总线的结构：

（1）单总线结构框图：

（2）面向CPU的双总线结构框图：

（3）以存储器为中心的双总线结构框图：

（4）三总线结构：

（5）三总线又一种结构：

（6）四总线结构：

（7）VL-BUS局部总线结构：

（8）PCI总线：

（9）多层PCI总线结构：

二、IEEE 754标准

2.1、十进制转IEEE 754：

2.2、IEEE 754转十进制：

三、移位运算

3.1、逻辑移位：

• 移出的空位统一补0

3.2、算术移位：

• 无符号型：等同于逻辑移位

• 有符号型：算术左移等同于逻辑左移，算术右移补符号位

四、溢出判断

4.1、什么是溢出？

• 上溢/正溢：正+正=负
• 下溢/负溢：负+负=正

4.2、溢出判断：

（1）方法一：单符号位

（2）方法二：数据位进位情况

（3）方法三：双符号位

五、主存储器

5.1、易失性随机存取存储器（RAM）

是构成内存的主要部分，其内容可以根据需要随时按地址读出或写入，以某种电触发器的状态存储，断电后信息无法保存，用于暂存数据，又可分为DRAM和SRAM两种。RAM一般使用动态半导体存储器件（DRAM）。因为CPU工作的速度比RAM的读写速度快，所以CPU读写RAM时需要花费时间等待，这样就使CPU的工作速度下降。人们为了提高CPU读写程序和数据的速度，在RAM和CPU之间增加了高速缓存（Cache）部件。Cache的内容是随机存储器（RAM）中部分存储单元内容的副本

5.2、非易失性只读存储器（ROM）

出厂时其内容由厂家用掩膜技术写好，只可读出，但无法改写。信息已固化在存储器中，一般用于存放系统程序BIOS和用于微程序控制

5.3、可编程存储器（PROM）

只能进行一次写入操作（与ROM相同），但是可以在出厂后，由用户使用特殊电子设备进行写入

5.4、电可擦除存储器（EPROM）

与EPROM相似，可以读出也可写入，而且在写操作之前，不需要把以前内容先擦去，能够直接对寻址的字节或块进行修改

5.5、闪速存储器（Flash）

其特性介于EPROM与EEPROM之间。闪速存储器也可使用电信号进行快速删除操作，速度远快于EEPROM。但不能进行字节级别的删除操作，其集成度高于EEPROM

5.6、存储器的扩展

（1）位扩展（增加存储字长）：

（2）字扩展（增加存储字的数量）

（4）字位扩展

六、Cache

6.1、主存地址映射：

（1）直接映射：

• 主存地址长度：某系统的存储器为256MB = 2³¹b，则主存地址长度为31
• Cache地址长度：若cache为2MB = 2²¹b，则Cache地址长度就是21
• 主存字块标记t：主存地址长度 - Cache地址长度
• Cache字块地址c：Cache可被分成2^c块

（2）全相联映射：

• 和直接映射一样，计算方法同上

（3）组相联映射：

（4）例题1：

计算机网络

一、计算机网络体系结构

1.1、三种交换方式

（1）电路交换

• 电话交换机接通电话线的方式称为电路交换
• 从通信资源的分配角度来看，交换（Switching）就是按照某种方式动态地分配传输路线的资源
• 电路交换三个步骤：
  • 建立连接（分配通信资源）
  • 通话（一直占用通信资源）
  • 释放连接（归还通信资源）

（2）分组交换

• 发送方：构造分组、发送分组
• 路由器：缓存分组、转发分组——存储转发
• 接收方：接收分组、还原报文
• 限制报文大小

（3）报文交换

• 主要用于早期的电报通信网，现在较少使用，通常被较先进的分组交换方式所取代
• 不限制报文大小，各结点交换机都具有较大的缓存空间

（4）三种交换方式对比

1.2、计算机网络体系结构

• 三个主要概念：服务、接口、协议
• 网络协议三要素：语法、语义、时序 / 同步
• 物联网淑惠试用——各层实现的功能
  • 应用层（报文）：
    • 应用层：
    • 表示层：数据格式转换
    • 会话层：对话管理
  • 传输层（报文段）：可靠数据传输
  • 网络层（IP数据包 / 分组）：路由选择，流量控制，分组和重组
  • 数据链路层（帧）：保证数据正确的顺序，无错和完整，封装成帧，透明传输，差错检测
  • 物理层（比特流）：传输线上的位流信号同步

二、物理层

2.1、基本概念

（1）主要任务

• 机械特性：指明接口所用的接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置
• 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围
• 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义
• 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

（2）传输媒体

• 导引型传输媒体：

  • 双绞线

  • 同轴电缆

    • 基带同轴电缆

      • 数字传输，过去用于局域网，价格贵且布线不够灵活和方便，随着集线器的出现，在局域网领域基本都是采用双绞线作为传输媒体

    • 宽带同轴电缆

      • 模拟传输，目前主要用于有线电视

  • 光纤

    • 优点

      • 通信容量大（25000~30000GHz的带宽）
      • 传输损耗小，远距离传输时更加经济
      • 抗雷电和电子干扰新能耗，这在大电流脉冲干扰的环境下尤为重要
      • 无串音干扰，保密性好，不易被监听
      • 体积小，重量轻

    • 缺点

      • 割接需要专用设备
      • 光电接口价格较贵

• 非导引型传输媒体：

  • 微波通信（2~40GHz）
  • 无线电波
  • 红外线
  • 可见光

（3）传输方式

• 串行传输：速度慢，成本低，用于远距离传输
• 并行传输：速度快，串行传输N倍，成本高，用于计算机内部传输
• 同步传输：字节之间同步（字节之间的时间间隔固定）
  • 收发双方时钟同步
    • 外同步：在收发双方之间添加一条单独的时钟信号线
    • 内同步：发送端将时钟同步信号编码到发送数据中一起传输（曼彻斯特编码）
• 异步传输：字节之间异步（字节之间的时间间隔不固定），字节中的每个比特仍然同步（各比特的持续时间是相同的）
• 单向通信（单工）：单向通信，无线电广播
• 双向交替通信（半双工）：不同同时双向通信，对讲机
• 双向同时通信（全双工）：同时双向通信，电话

（4）编码与调制

• 码元：在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形

• 常用编码：

• 基本调制方法：

• 混合调制——正交振幅调制QAM：

2.2、信道的极限容量

（1）奈氏准则

（2）香农公式

三、数据链路层

3.1、

四、网络层

4.1、无分类编址

4.2、分类编址

4.3、划分子网

4.4、VPN、NAT