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網(wǎng)絡(luò)工程師 /jiaocheng/zg9.html網(wǎng)絡(luò)工程師考試考前串講第2章計算機(jī)硬件基礎(chǔ)從歷次考試試題來看，計算機(jī)硬件基礎(chǔ)知識是網(wǎng)絡(luò)工程師考試的一個必考點(diǎn)。根據(jù)考試大綱，計算機(jī)硬件基礎(chǔ)的考查知識包括計算機(jī)系統(tǒng)的組成、存儲系統(tǒng)，以及輸入/輸出結(jié)構(gòu)和設(shè)備。2.1考點(diǎn)分析本節(jié)把歷次考試中計算機(jī)硬件基礎(chǔ)方面的試題進(jìn)行匯總，得出本章的考點(diǎn)，如表2-1所示（括號中的數(shù)字表示知識點(diǎn)所考查的分?jǐn)?shù)）。表2-1 計算機(jī)硬件基礎(chǔ)試題知識點(diǎn)分布根據(jù)表2-1,我們可以得出計算機(jī)硬件基礎(chǔ)的考點(diǎn)主要有以下幾個方面。（1）計算機(jī)組成：包括計算機(jī)的基本組成、Flynn分類、RISC和CISC計算機(jī)的特點(diǎn)、多處理機(jī)、總線和接口等。（2）數(shù)據(jù)運(yùn)算：包括數(shù)據(jù)的表示（含浮點(diǎn)數(shù)的表示）、邏輯運(yùn)算。（3）尋址方式：包括指令的各種尋址方式。（4）中斷：主要考查中斷的概念，以及中斷響應(yīng)的過程。（5）存儲體系：包括內(nèi)存編址、內(nèi)存容量的計算、Cache（高速緩沖存儲器）、磁盤參數(shù)的計算。（6）流水線：主要考查流水線的概念、性能，以及有關(guān)參數(shù)的計算。（7）性能評估：主要考查系統(tǒng)可靠性的計算、時鐘頻率等。對這些知識點(diǎn)進(jìn)行歸類，按照重要程度進(jìn)行排列，如表2-2所示。其中的星號（*）代表知識點(diǎn)的重要程度，星號越多，表示越重要。表2-2 計算機(jī)硬件基礎(chǔ)各知識點(diǎn)重要程度在本章的后續(xù)內(nèi)容中，我們將對這些知識點(diǎn)進(jìn)行逐個講解。2.2計算機(jī)組成對于本知識點(diǎn)的考查，主要掌握計算機(jī)的基本組成、Flynn分類、RISC和CISC計算機(jī)的特點(diǎn)、多處理機(jī)的關(guān)鍵特性等。2.2.1計算機(jī)的基本組成在一臺計算機(jī)中，主要有6種部件，分別是控制器、運(yùn)算器、內(nèi)存儲器、外存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備，它們之間的合作關(guān)系如圖2-1所示。圖2-1 計算機(jī)各功能部件之間的合作關(guān)系（1）控制器（Control unit）：是分析和執(zhí)行指令的部件，也是統(tǒng)一指揮并控制計算機(jī)各部件協(xié)調(diào)工作的中心部件，所依據(jù)的是機(jī)器指令?？刂破鞯慕M成包含程序計數(shù)器（PC）、指令寄存器（IR）、指令譯碼器、時序部件、微操作控制信號形成部件（PSW）和中斷機(jī)構(gòu)。（2）運(yùn)算器：也叫做算術(shù)邏輯單元（Arithmetic and Logic Unit,ALU），對數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。通常由ALU（算術(shù)邏輯單元，包括累加器、加法器等）、通用寄存器（不包含地址寄存器）、多路轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)總線組成。（3）內(nèi)存儲器（Memory或Primary storage,簡稱內(nèi)存或主存）：存儲現(xiàn)場操作的信息與中間結(jié)果，包括機(jī)器指令和數(shù)據(jù)。（4）外存儲器（Secondary storage或Permanent storage,簡稱外存或輔存）：存儲需要長期保存的各種信息。（5）輸入設(shè)備（Input devices）：接收外界向計算機(jī)輸入的信息。（6）輸出設(shè)備（Output devices）：將計算機(jī)中的信息向外界輸送?，F(xiàn)在的控制器和運(yùn)算器被制造在同一塊超大規(guī)模集成電路中，統(tǒng)稱為中央處理器，即CPU（Central Processing Unit）。2.2.2Flynn的分類1966年，Michael.J.Flynn提出根據(jù)指令流、數(shù)據(jù)流的多倍性特征對計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了分類（通常稱為Flynn分類法），有關(guān)概念的定義如下。（1）指令流：指機(jī)器執(zhí)行的指令序列。（2）數(shù)據(jù)流：指由指令流調(diào)用的數(shù)據(jù)序列，包括輸入數(shù)據(jù)和中間結(jié)果，但不包括輸出數(shù)據(jù)。（3）多倍性：指在系統(tǒng)性能瓶頸部件上同時處于同一執(zhí)行階段的指令或數(shù)據(jù)的最大可能個數(shù)。Flynn根據(jù)不同的指令流和數(shù)據(jù)流組織方式，把計算機(jī)系統(tǒng)分成如下4類。 （1）單指令流單數(shù)據(jù)流（Single Instruction stream and Single Data stream,SISD）。SISD其實(shí)就是傳統(tǒng)的順序執(zhí)行的單處理器計算機(jī)，其指令部件每次只對一條指令進(jìn)行譯碼，并只對一個操作部件分配數(shù)據(jù)。流水線方式的單處理機(jī)有時也被當(dāng)作SISD. （2）單指令流多數(shù)據(jù)流（Single Instruction stream and Multiple Data stream,SIMD）。SIMD以并行處理機(jī)（陣列處理機(jī)）為代表，并行處理機(jī)包括多個重復(fù)的處理單元，由單一指令部件控制，按照同一指令流的要求為它們分配各自所需的不同數(shù)據(jù)。相聯(lián)處理機(jī)也屬于這一類。 （3）多指令流單數(shù)據(jù)流（Multiple Instruction stream and Single Data stream,MISD）。MISD具有n個處理單元，按n條不同指令的要求對同一數(shù)據(jù)流及其中間結(jié)果進(jìn)行不同的處理。一個處理單元的輸出又作為另一個處理單元的輸入。這類系統(tǒng)實(shí)際上很少見到。有文獻(xiàn)把流水線看作多個指令部件，稱流水線計算機(jī)是MISD. （4）多指令流多數(shù)據(jù)流（Multiple Instruction stream and Multiple Data stream,MIMD）。MIMD是指能實(shí)現(xiàn)作業(yè)、任務(wù)、指令等各級全面并行的多機(jī)系統(tǒng)。多處理機(jī)屬于MIMD.當(dāng)前的高性能服務(wù)器與超級計算機(jī)大多具有多個處理機(jī)，能進(jìn)行多任務(wù)處理，稱為多處理機(jī)系統(tǒng)，不論是大規(guī)模并行處理機(jī)還是對稱多處理機(jī)，都屬于MIMD.2.2.3并行處理本節(jié)主要介紹幾種多處理機(jī)系統(tǒng)。（1）超級標(biāo)量處理機(jī)。在超級標(biāo)量處理機(jī)中，配置了多個功能部件和指令譯碼電路，采取了多條流水線，還有多個寄存器端口和總線，因此可以同時執(zhí)行多個操作，以并行處理來提高機(jī)器速度。它可以同時從存儲器中取出幾條指令同時送入不同的功能部件。超級標(biāo)量處理機(jī)的硬件是不能重新安排指令的前后次序的，但可以在編譯程序時采取優(yōu)化的辦法對指令的執(zhí)行次序進(jìn)行精心安排，把能并行執(zhí)行的指令搭配起來。（2）超級流水線處理機(jī)。超級流水線處理機(jī)的周期比其他結(jié)構(gòu)的處理機(jī)短。與超級標(biāo)量處理機(jī)一樣，硬件不能調(diào)整指令的執(zhí)行次序，而由編譯程序解決優(yōu)先問題。（3）超長指令字處理機(jī)。超長指令字處理機(jī)是一種單指令流多操作碼多數(shù)據(jù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，編譯程序在編譯時把這個能并行執(zhí)行的操作組合在一起，成為一條有多個操作段的超長指令，由這條超長指令控制計算機(jī)中多個互相獨(dú)立的功能部件，每個操作段控制一個功能部件，相當(dāng)于同時執(zhí)行多條指令。（4）向量處理機(jī)。向量處理機(jī)是一種具有向量數(shù)據(jù)表示，并設(shè)置有相應(yīng)的指令和硬件，能對向量的各個元素進(jìn)行并行處理的計算機(jī)。當(dāng)進(jìn)行向量運(yùn)算時，它的性能要比大型機(jī)好得多。向量處理機(jī)有巨型計算機(jī)和向量協(xié)處理機(jī)（或稱為數(shù)組處理機(jī)）兩種類型。巨型計算機(jī)能對大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算，同時還是可以進(jìn)行標(biāo)量計算和一般數(shù)據(jù)處理的通用計算機(jī)。向量處理機(jī)一般采用流水線工作，當(dāng)它處理一條數(shù)組指令時，對數(shù)組中的每個元素執(zhí)行相同的操作，而且各元素間是互相無關(guān)的，因此流水線不會阻塞，能以每個時鐘周期送出一個結(jié)果的速度運(yùn)行。為了存儲系統(tǒng)能及時提供數(shù)據(jù)，向量處理機(jī)配有一個大容量的、分成多個模塊交錯工作的主存儲器。為了提高運(yùn)算速度，在向量處理機(jī)的運(yùn)算部件中可采用多個功能部件，例如向量部件、浮點(diǎn)部件、整數(shù)運(yùn)算部件和計算地址用的地址部件。向量處理機(jī)是專門處理浮點(diǎn)和向量運(yùn)算的數(shù)組處理機(jī)，它連接到主機(jī)總線上。（5）多處理機(jī)系統(tǒng)。多處理機(jī)具有兩個或兩個以上的處理機(jī)，共享輸入/輸出子系統(tǒng)，在操作系統(tǒng)統(tǒng)一控制下，通過共享主存或高速通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，協(xié)同求解一個個復(fù)雜的問題。多處理機(jī)通過利用多臺處理機(jī)進(jìn)行多任務(wù)處理來提高速度，利用系統(tǒng)的重組能力來提高可靠性、適應(yīng)性和可用性。多處理機(jī)具有共享存儲器和分布存儲器兩種不同的結(jié)構(gòu)。具有共享存儲器的多處理機(jī)中，程序員無數(shù)據(jù)劃分的負(fù)擔(dān)，編程容易；系統(tǒng)處理機(jī)數(shù)目較少，不易擴(kuò)充。具有分布式存儲器的多處理機(jī)結(jié)構(gòu)靈活，容易擴(kuò)充；難以在各個處理單元之間實(shí)現(xiàn)復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)傳送；任務(wù)動態(tài)分配復(fù)雜；現(xiàn)有軟件可繼承性差，需要設(shè)計新的并行算法。多處理機(jī)系統(tǒng)屬于MIMD系統(tǒng)，與SIMD的并行處理機(jī)相比，有很大的差別。其根源就在于兩者的并行性的層次不同，多處理機(jī)要實(shí)現(xiàn)的是更高一層的作業(yè)任務(wù)間的并行。（6）大規(guī)模并行處理機(jī)。并行處理機(jī)有時也稱為陣列處理機(jī)，并行處理機(jī)使用按地址訪問的隨機(jī)存儲器，以SIMD方式工作，主要用于要求大量高速進(jìn)行向量矩陣運(yùn)算的應(yīng)用領(lǐng)域。并行處理機(jī)制的并行性來源于資源重復(fù)，把大量相同的處理單元通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)連接起來，在統(tǒng)一的控制器控制下，對各自分配來的數(shù)據(jù)并行地完成同一條指令所規(guī)定的操作。并行處理機(jī)有兩種基本結(jié)構(gòu)類型：采用分布存儲器的并行處理結(jié)構(gòu)和采用集中式共享存儲器的并行處理結(jié)構(gòu)。分布式存儲器的并行處理結(jié)構(gòu)中，每一個處理機(jī)都有自己局部的存儲器，只要控制部件將并行處理的程序分配至各處理機(jī)，它們便能并行處理，各自從自己的局部存儲器中取得信息。而共享存儲器并行處理結(jié)構(gòu)中的存儲器是集中共享的，由于多個處理機(jī)共享，在各處理機(jī)訪問共享存儲器時會發(fā)生競爭。因此，需采取措施盡可能避免競爭的發(fā)生。大規(guī)模并行處理機(jī)（Massively Parallel Processor,MPP）是由眾多的微處理器（從幾百到上萬）組成的大規(guī)模的并行系統(tǒng)。MPP的出現(xiàn)成為計算機(jī)領(lǐng)域中一個研發(fā)熱點(diǎn)，被用作開發(fā)萬億次甚至更高速的巨型機(jī)的主要結(jié)構(gòu)。MPP可以采用市場上出售的RISC處理器，所以有很高的性價比。（7）對稱多處理機(jī)。對稱多處理機(jī)（Symmetrical Multi Processor,SMP）目前也基于RISC微處理器。它與MPP最大的差別在于存儲系統(tǒng)。SMP有一個統(tǒng)一的共享主存空間，而MPP則是每個微處理器都擁有自己的本地存儲器。2.2.4精簡指令系統(tǒng)計算機(jī)RISC（Reduced Instruction Set Computer,精簡指令系統(tǒng)計算機(jī)）是相對于傳統(tǒng)的CISC（Complex Instruction Set Computer,復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機(jī)）而言的。RISC不是簡單地把指令系統(tǒng)進(jìn)行簡化，而是通過簡化指令的途徑使計算機(jī)的結(jié)構(gòu)更加簡單合理，以減少指令的執(zhí)行周期數(shù)，從而提高運(yùn)算速度。在這個知識點(diǎn)中，我們主要掌握RISC計算機(jī)的主要特點(diǎn)，列舉如下。（1）指令數(shù)量少。優(yōu)先選取使用頻率最高的一些簡單指令以及一些常用指令，避免使用復(fù)雜指令。大多數(shù)指令都是對寄存器操作，對存儲器的操作僅提供了讀和寫兩種方式。（2）指令的尋址方式少。通常只支持寄存器尋址方式、立即數(shù)尋址方式以及相對尋址方式。（3）指令長度固定，指令格式種類少。因?yàn)镽ISC指令數(shù)量少，格式相對簡單，其指令長度固定，指令之間各字段的劃分比較一致，譯碼相對容易。（4）只提供了Load/Store指令訪問存儲器。只提供了從存儲器讀數(shù)（Load）和把數(shù)據(jù)寫入存儲器（Store）兩條指令，其余所有的操作都在CPU的寄存器間進(jìn)行。因此，RISC需要大量的寄存器。（5）以硬布線邏輯控制為主。為了提高操作的執(zhí)行速度，通常采用硬布線邏輯（組合邏輯）來構(gòu)建控制器。而CISC的指令系統(tǒng)很復(fù)雜，難以用組合邏輯電路實(shí)現(xiàn)控制器，通常采用微程序控制。（6）單周期指令執(zhí)行。因?yàn)楹喕酥噶钕到y(tǒng)，很容易利用流水線技術(shù)使得大部分指令都能在一個機(jī)器周期內(nèi)完成。因此，RISC通常采用流水線組織。少數(shù)指令可能會需要多個周期執(zhí)行，例如Load/Store指令因?yàn)樾枰L問存儲器，其執(zhí)行時間就會長一些。（7）優(yōu)化的編譯器。RISC的精簡指令集使編譯工作簡單化。因?yàn)橹噶铋L度固定、格式少、尋址方式少，編譯時不必在具有相似功能的許多指令中進(jìn)行選擇，也不必為尋址方式的選擇而費(fèi)心，同時易于實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，從而可以生成高效率執(zhí)行的機(jī)器代碼。大多數(shù)RISC采用了Cache方案，而且有的RISC甚至使用兩個獨(dú)立的Cache來改善性能。一個稱為指令Cache,另一個稱為數(shù)據(jù)Cache.這樣取指和讀數(shù)可以同時進(jìn)行，互不干擾。從理論上來看，CISC和RISC都有各自的優(yōu)勢，不能認(rèn)為RISC就好，CISC就不好。事實(shí)上，這兩種設(shè)計方法很難找到完全的界線，而且在實(shí)際的芯片中，這兩種設(shè)計方法也有相互滲透的地方，表2-3是兩者的簡單對比。表2-3 CISC和RISC的簡單對比2.2.5總線和接口總線就是一組進(jìn)行互連和傳輸信息（指令、數(shù)據(jù)和地址）的信號線，它好比連接計算機(jī)系統(tǒng)各個部件之間的橋梁。另外，我們廣義上通常也把AGP接口、USB接口等稱為AGP總線、USB總線。可以說總線在計算機(jī)中無處不在。1.總線的分類按總線相對于CPU或其他芯片的位置可分為內(nèi)部總線（Internal Bus）和外部總線（External Bus）兩種。在CPU內(nèi)部，寄存器之間和算術(shù)邏輯部件ALU與控制部件之間傳輸數(shù)據(jù)所用的總線稱為內(nèi)部總線；而外部總線，是指CPU與內(nèi)存RAM、ROM和輸入/輸出設(shè)備接口之間進(jìn)行通信的通路。由于CPU通過總線實(shí)現(xiàn)程序取指令、內(nèi)存/外設(shè)的數(shù)據(jù)交換，在CPU與外設(shè)一定的情況下，總線速度是制約計算機(jī)整體性能的最大因素。按總線功能來劃分又可分為地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線3類。我們通常所說的總線都包括上述3個組成部分，地址總線用來傳送地址信息，數(shù)據(jù)總線用來傳送數(shù)據(jù)信息，控制總線用來傳送各種控制信號。例如ISA總線共有98條線，其中數(shù)據(jù)線16條，地址線24條，其余為控制信號線、接地線和電源線。按總線在微機(jī)系統(tǒng)中的位置可分為機(jī)內(nèi)總線和機(jī)外總線（Peripheral Bus）兩種。我們上面所說的總線都是機(jī)內(nèi)總線，而機(jī)外總線是指與外部設(shè)備接口相連的，實(shí)際上是一種外設(shè)的接口標(biāo)準(zhǔn)。如目前計算機(jī)上流行的接口標(biāo)準(zhǔn)IDE、SCSI、USB和IEEE 1394等，前兩種主要是與硬盤、光驅(qū)等IDE設(shè)備接口相連，后兩種新型外部總線可以用來連接多種外部設(shè)備。計算機(jī)的總線按其功用來劃分主要有局部總線、系統(tǒng)總線、通信總線3種類型。其中局部總線是在傳統(tǒng)的ISA總線和CPU總線之間增加的一級總線或管理層，它的出現(xiàn)是由于計算機(jī)軟、硬件功能的不斷發(fā)展，系統(tǒng)原有的ISA/EISA等已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)系統(tǒng)高傳輸能力的要求，而成為整個系統(tǒng)的主要瓶頸。系統(tǒng)總線是計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部各部件（插板）之間進(jìn)行連接和傳輸信息的一組信號線，例如ISA、EISA、MCA、VESA、PCI、AGP等。通信總線是系統(tǒng)之間或微機(jī)系統(tǒng)與設(shè)備之間進(jìn)行通信的一組信號線。2.總線標(biāo)準(zhǔn)總線標(biāo)準(zhǔn)是指計算機(jī)部件各生產(chǎn)廠家都需要遵守的系統(tǒng)總線要求，從而使不同廠家生產(chǎn)的部件能夠互換?？偩€標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)定總線的機(jī)械結(jié)構(gòu)規(guī)范、功能結(jié)構(gòu)規(guī)范和電氣規(guī)范。總線標(biāo)準(zhǔn)可以分為正式標(biāo)準(zhǔn)和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其中正式標(biāo)準(zhǔn)是由IEEE等國際組織正式確定和承認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)；工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是首先由某一廠家提出，得到其他廠家廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)。3.接口的分類根據(jù)外部設(shè)備與I/O模塊交換數(shù)據(jù)的方式，系統(tǒng)接口可以分為串行和并行接口兩種。串行接口一次只能傳送1位信息，而并行接口一次就可傳送多位信息（一般為8的倍數(shù)）。串行通信又可分為異步通信方式和同步通信方式兩種。并行接口數(shù)據(jù)傳輸速率高，控制簡單，通常用于高速數(shù)據(jù)通道接口；但是所需連線很多，不適于遠(yuǎn)距離傳送。串行通信連線少，適于長距離傳送；但是控制復(fù)雜而且傳輸速度較慢。4.常見接口常見的設(shè)備接口有以下幾種。（1）ST506.主要用于溫盤，結(jié)構(gòu)簡單，只完成磁盤信息的讀/寫放大，把數(shù)據(jù)的編碼解碼、數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換等功能都留給I/O模塊處理。其傳輸速率為57Mbps,最多可支持2個硬盤，最大支持盤空間為150MB.（2）ESDI.一種通用的標(biāo)準(zhǔn)接口，不僅適用于小型溫盤，還適用于磁帶機(jī)和光盤存儲器。該接口除了完成信息的讀/寫放大外，還要完成數(shù)據(jù)的編碼解碼。數(shù)據(jù)傳輸速率為510Mbps,最多可支持4個硬盤，硬盤空間最大可達(dá)600MB.（3）IDE.IDE是最常用的磁盤接口，分為普通IDE和增強(qiáng)型IDE（EIDE）接口。普通IDE數(shù)據(jù)傳輸速率不超過1.5Mbps,數(shù)據(jù)傳輸寬度為8位，最多可連接4個IDE設(shè)備，每個IDE硬盤容量不超過528MB.根據(jù)傳輸速率的不同， EIDE可以分為UDMA-33、UDMA-66、UDMA-133三種，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)1218Mbps,數(shù)據(jù)傳輸寬度為32位，最多可連接4個IDE設(shè)備，每個IDE硬盤可超過528MB.（4）SCSI.數(shù)據(jù)寬度為8位、16位和32位，是大容量存儲設(shè)備、音頻設(shè)備和CD-ROM驅(qū)動器的一種標(biāo)準(zhǔn)。SCSI接口通常被看作是一種總線，可用于連接多個外設(shè)，這些SCSI設(shè)備以雛菊鏈（Mode daisy chain）形式接入，并被分配給唯一的ID號（07），其中7號分配給SCSI控制器。某些SCSI控制器可以提供多達(dá)35個SCSI通道。SCSI設(shè)備彼此獨(dú)立運(yùn)作，相互之間可以交換數(shù)據(jù)，也可以和主機(jī)進(jìn)行交互。數(shù)據(jù)以分組消息的形式進(jìn)行傳輸。最初的SCSI標(biāo)準(zhǔn)（目前又稱為SCSI I）的最大同步傳輸速率為5Mbps,后來的SCSI II規(guī)定了2種提高速度的選擇。一種為提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l率，即Fast SCSI.由于頻率提高了一倍，即使數(shù)據(jù)通路仍和SCSI I同為8位寬，其最大同步傳輸速率也提高了一倍，達(dá)到10Mbps.另一種提高速度的選擇是傳輸頻率提高一倍的同時也增大數(shù)據(jù)通路的寬度，由8位增至16位，這就是Wide SCSI,其最大同步傳輸速率為20Mbps.（5）PCMCIA.PCMCIA是一種廣泛用于筆記本電腦的接口標(biāo)準(zhǔn)，體積小，擴(kuò)展較方便靈活。最初的PCMCIA主要用于筆記本電腦擴(kuò)展內(nèi)存，目前常用作一種存儲器卡接口或進(jìn)行傳真、調(diào)制解調(diào)器功能擴(kuò)展接口?，F(xiàn)在用PCMCIA代表個人計算機(jī)存儲器卡國際協(xié)會，而PCMCIA接口更名為PC Card接口。PC Card接口具有以下特點(diǎn)：電源管理服務(wù)，允許系統(tǒng)控制PC Card的工作狀態(tài)（開/關(guān)）；支持3.3V/5V電壓，可降低功耗；支持多功能卡、擴(kuò)充卡的信息結(jié)構(gòu)，以提高其兼容性；規(guī)定了直接內(nèi)存訪問規(guī)范，增加了一個32位的Card Bus接口。（6）P1394.P1394是一種高速的串行總線，用于連接眾多的外部設(shè)備。P1394有許多優(yōu)于SCSI等其他外設(shè)接口的特點(diǎn)：數(shù)據(jù)傳輸速率高，價格低且容易實(shí)現(xiàn)，所以不僅應(yīng)用于計算機(jī)系統(tǒng)中，也廣泛應(yīng)用于消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，諸如數(shù)碼相機(jī)、VCD等。P1394的數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)400Mbps,新的標(biāo)準(zhǔn)是800Mbps.P1394接口使用雛菊鏈?zhǔn)降脑O(shè)備連接方式，一個端口可以支持63個設(shè)備；而且使用橋互聯(lián)的方式，以樹型結(jié)構(gòu)配置，可以支持的設(shè)備數(shù)高達(dá)1022.P1394支持設(shè)備的熱插拔，即允許計算機(jī)在未關(guān)機(jī)帶電的情況下插入或拔除所連接的外部設(shè)備而不會造成損害。（7）USB.USB接口是一種串行總線式的接口，在串行接口中可達(dá)到較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，并且也允許設(shè)備以雛菊鏈形式接入，最多可連接127個設(shè)備。USB的最大特點(diǎn)是允許熱插拔，目前在便攜式計算機(jī)和臺式計算機(jī)中已成為標(biāo)準(zhǔn)配置。許多數(shù)碼相機(jī)、閃存、視頻攝像頭以及打印機(jī)等都可通過USB口接入計算機(jī)。USB 1.0的速度是1.2Mbps,USB 2.0的速度達(dá)到了480Mbps.2.3數(shù)據(jù)運(yùn)算對于本知識點(diǎn)的考查，主要是數(shù)據(jù)的各種碼制的表示和運(yùn)算、浮點(diǎn)數(shù)的表示和運(yùn)算，以及邏輯運(yùn)算。2.3.1各種碼制本節(jié)主要掌握原碼、反碼、補(bǔ)碼和移碼的概念，以及各自的用途和優(yōu)點(diǎn)。1.原碼將最高位用作符號位（0表示正數(shù)，1表示負(fù)數(shù)），其余各位代表數(shù)值本身的絕對值的表示形式。這種方式是最容易理解的。例如，假設(shè)用8位表示一個數(shù)，則+11 的原碼是00001011,-11 的原碼是10001011.直接使用原碼在計算時會有麻煩。例如，（1）10+（-1）10= 0.如果直接使用原碼，則（00000001）2+（1000001）2= （10000010）2這樣計算的結(jié)果是-2,也就是說，使用原碼直接參與計算可能會出現(xiàn)錯誤的結(jié)果。所以，原碼的符號位不能直接參與計算，必須和其他位分開，這樣會增加硬件的開銷和復(fù)雜性。2.反碼正數(shù)的反碼與原碼相同。負(fù)數(shù)的反碼符號位為1,其余各位為該數(shù)絕對值的原碼按位取反。例如，-11的反碼為11110100.同樣，對上面的加法，使用反碼的結(jié)果是：（00000001）2+ （11111110）2= （11111111）2這樣的結(jié)果是負(fù)0,而在人們普遍的觀念中，0是不分正負(fù)的。反碼的符號位可以直接參與計算，而且減法也可以轉(zhuǎn)換為加法計算。3.補(bǔ)碼正數(shù)的補(bǔ)碼與原碼相同。負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼是該數(shù)的反碼加1,這個加1就是補(bǔ).例如，-11的補(bǔ)碼為11110100+1 = 11110101再次做以上的加法，是這樣的：（00000001）2+ （11111111）2= （00000000）2這說明，直接使用補(bǔ)碼進(jìn)行計算的結(jié)果是正確的。對一個補(bǔ)碼表示的數(shù)，要計算其原碼，只要對它再次求補(bǔ)即可。由于補(bǔ)碼能使符號位與有效值部分一起參加運(yùn)算，從而簡化了運(yùn)算規(guī)則，同時它也使減法運(yùn)算轉(zhuǎn)換為加法運(yùn)算，進(jìn)一步簡化計算機(jī)中運(yùn)算器的電路，這使得在大部分計算機(jī)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)都使用補(bǔ)碼表示。4.移碼移碼又稱為增碼，移碼的符號表示和補(bǔ)碼相反，1表示正數(shù)，0表示負(fù)數(shù)。也就是說，移碼是在補(bǔ)碼的基礎(chǔ)上把首位取反得到的，這樣使得移碼非常適合于階碼的運(yùn)算，所以移碼常用于表示階碼。2.3.2定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)的區(qū)別在于如何對待小數(shù)點(diǎn)，在運(yùn)算方式上也不相同，衡量一個計算機(jī)系統(tǒng)，定點(diǎn)運(yùn)算和浮點(diǎn)運(yùn)算是兩個重要的指標(biāo)。定點(diǎn)數(shù)的小數(shù)點(diǎn)是隱含的，固定在某個位置。如果該位置是在數(shù)的最低位之后，就是定點(diǎn)整數(shù)。定點(diǎn)數(shù)表示比較簡單，運(yùn)算規(guī)則也比較容易實(shí)現(xiàn)，但是當(dāng)數(shù)值范圍變化大時，使用定點(diǎn)數(shù)表示和運(yùn)算就比較困難。為了表示更大范圍的數(shù)值，可以使用浮點(diǎn)數(shù)表示法。在表示一個很大的數(shù)時，我們常常使用一種稱為科學(xué)計數(shù)法的方式：其中M稱為尾數(shù)，e是指數(shù)（階碼），R為基數(shù)。浮點(diǎn)數(shù)就是使用這種方法來表示大范圍的數(shù)，其中基數(shù)一般是2、8、16.而且對于特定機(jī)器而言，基數(shù)是固定不變的，所以在浮點(diǎn)數(shù)中基數(shù)并不出現(xiàn)。從這個表達(dá)式可以看出，浮點(diǎn)數(shù)表示的精度取決于尾數(shù)的寬度，范圍取決于基數(shù)的大小和指數(shù)的寬度。1.格式化數(shù)使用格式化數(shù)是提高浮點(diǎn)數(shù)有效位的方法。格式化的意思是把尾數(shù)前面加0,同時修改指數(shù)，這樣，在尾數(shù)位數(shù)固定的情況下，能提供最多的有效位來表示尾數(shù)。當(dāng)指數(shù)小于能夠表示的最小值時，這個數(shù)稱為機(jī)器零，此時會把尾數(shù)和指數(shù)同時清零。2.定點(diǎn)數(shù)的溢出處理計算機(jī)中通常使用補(bǔ)碼進(jìn)行計算。兩個正數(shù)相加，如果結(jié)果的符號位變成了1,則表示有溢出；兩個負(fù)數(shù)相加，如果結(jié)果的符號位變成了0,那么也意味著溢出。如果是正數(shù)和負(fù)數(shù)相加，則不會出現(xiàn)溢出的情況。判斷處理的方法可以再增加一個符號位，稱為第一符號位，原來那個符號位變成了第二符號位。兩個符號位都參與計算，如果計算結(jié)果的兩個符號位相同，表示沒有溢出；如果不同，就表示出現(xiàn)了溢出。而第一符號位才是真正的符號。也可以通過進(jìn)位信號來判斷，當(dāng)數(shù)值最高位的進(jìn)位信號和符號位的進(jìn)位信號一致時（都有進(jìn)位信號或都沒有進(jìn)位信號），則沒有溢出，否則表示有溢出。3.浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算過程比定點(diǎn)數(shù)復(fù)雜，包括以下過程。（1）對階。首先計算兩個數(shù)的指數(shù)差，把指數(shù)小的向指數(shù)大的對齊，并將尾數(shù)右移指數(shù)差的位數(shù)。這樣，兩個浮點(diǎn)數(shù)就完成了對階的操作?？梢钥闯觯瑢﹄A的過程可能使得指數(shù)小的浮點(diǎn)數(shù)失去一些有效位。如果兩個浮點(diǎn)數(shù)階數(shù)相差很大，這個差大于指數(shù)小的浮點(diǎn)數(shù)的尾數(shù)寬度，則對階后指數(shù)小的浮點(diǎn)數(shù)的尾數(shù)就變成了0,即當(dāng)作機(jī)器零處理了。（2）尾數(shù)計算。對階完成后，兩個浮點(diǎn)數(shù)的尾數(shù)就和定點(diǎn)數(shù)一樣進(jìn)行計算。（3）結(jié)果格式化。尾數(shù)計算后，可能會產(chǎn)生溢出，此時將尾數(shù)右移，同時指數(shù)加1,如果指數(shù)加1后發(fā)生了溢出，則表示兩個浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算發(fā)生了溢出。如果尾數(shù)計算沒有溢出，則尾數(shù)不斷左移，同時指數(shù)減1,直到尾數(shù)為格式化數(shù)。在這個過程中，指數(shù)小于機(jī)器能表達(dá)的最小數(shù)，則將結(jié)果置機(jī)器零，這種情況稱為下溢。2.3.3邏輯運(yùn)算在計算機(jī)中，運(yùn)算可以分為算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。二進(jìn)制數(shù)1和0在邏輯上可以代表真與假、是與否、有與無.這種具有邏輯屬性的變量就稱為邏輯變量，邏輯變量之間的運(yùn)算稱為邏輯運(yùn)算。邏輯運(yùn)算與算術(shù)運(yùn)算的主要區(qū)別是：邏輯運(yùn)算是按位進(jìn)行的，位與位之間不像加、減運(yùn)算那樣有進(jìn)位或借位的聯(lián)系。邏輯運(yùn)算主要包括4種基本運(yùn)算，分別是邏輯加法（或運(yùn)算）、邏輯乘法（與運(yùn)算）、邏輯否定（非運(yùn)算、否運(yùn)算）和異或運(yùn)算（半加運(yùn)算）。1.邏輯加法邏輯加法通常用符號+或來表示。邏輯加法運(yùn)算規(guī)則如下：0+0=0, 00=00+1=1, 01=11+0=1, 10=11+1=1, 11=1對于邏輯加法，在給定的邏輯變量A和B中，只要有一個為1,其邏輯加的結(jié)果就為1.只有兩者都為0時，邏輯加的結(jié)果才為0.2.邏輯乘法邏輯乘法通常用符號或或來表示。邏輯乘法運(yùn)算規(guī)則如下：00=0, 00=0, 00=001=0, 01=0, 01=010=0, 10=0, 10=011=1, 11=1, 11=1對于邏輯乘法，當(dāng)參與運(yùn)算的邏輯變量都同時取值為1時，其邏輯乘積才等于1.只要有一個邏輯變量為0,其結(jié)果就為0.3.邏輯否定邏輯非的規(guī)則為把變量取反，即：,4.異或運(yùn)算異或運(yùn)算通常用符號表示，其運(yùn)算規(guī)則為：00=0,01=1,10=1,11=0也就是說，只有兩個邏輯變量相異（一個為0,另一個為1），結(jié)果才為1.如果兩個邏輯變量相同，則結(jié)果為0.2.4尋址方式在計算機(jī)中，CPU都會定義出自己特定的指令系統(tǒng)，不過都遵循著統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)格式。指令的基本格式是由操作碼和地址碼兩部分組成的。操作碼指出該指令要完成什么操作，地址碼則提供原始的數(shù)據(jù)。指令系統(tǒng)中定義操作碼的方式可以分為規(guī)整型（定長編碼）和非規(guī)整型（變長編碼）兩種，如表2-4所示。表2-4 指令系統(tǒng)中的操作碼在指令系統(tǒng)中用來確定如何提供操作數(shù)或提供操作數(shù)地址的方式稱為尋址方式（編址方式）。操作數(shù)可以存放在CPU中的寄存器（用寄存器名操作）、主存儲器（指出存儲單元地址）、堆棧（先進(jìn)后出的存儲機(jī)制，用棧頂指針SP來標(biāo)出其當(dāng)前位置）、外存儲器或外圍設(shè)備中。不過在運(yùn)算時，數(shù)據(jù)均在主存儲器中，操作數(shù)可以采用以下幾種尋扯方式。（1）立即尋址：直接給出操作數(shù)，而非地址。（2）直接尋址：直接給出操作數(shù)地址或所在寄存器號（寄存器尋址）。（3）間接尋址：給出的是指向操作數(shù)地址的地址，稱為間接尋址。（4）變址尋址：給出的地址需與特定的地址值累加從而得出操作數(shù)地址，稱為變址尋址。通過采用不同的尋址方式，能夠達(dá)到縮短指令長度、擴(kuò)大尋址空間和提高編程靈活性等目的。例如，某計算機(jī)字長為16位，運(yùn)算器為16位，有16個16位通用寄存器，8種尋址方式，主存容量為64K字。指令中地址碼由尋址方式字段和寄存器字段組成，采用單字長指令。那么要表示8種尋址方式需要3位，要表示16個通用寄存器則需要4位，所以地址碼一共需要7位；而又采用單字長指令，字長為16位，因此，操作碼的位數(shù)就只有16-7=9位。也就是說，可以表示的指令種類是29條，即512條。因?yàn)槊總€寄存器是16位的，所以，可以表示的地址范圍是216字，即64K字。2.5中斷在計算機(jī)中，I/O系統(tǒng)可以有3種不同的工作方式，分別是程序控制方式、程序中斷方式和DMA工作方式。1.程序控制方式在程序控制方式模式下，輸入/輸出完全由CPU控制，在整個I/O過程中CPU必須等待其完成，限制了CPU的高速能力。不過這種方式下，是由程序主動查詢外設(shè)，完成主機(jī)與外設(shè)間的數(shù)據(jù)傳送，方法簡單，硬件開銷小。在這種方式下，I/O設(shè)備有2種編碼方式。（1）存儲器映射：即I/O設(shè)備和主存儲器統(tǒng)一編址，使用相同的機(jī)器指令來訪問內(nèi)存和外設(shè)，這種方式下，CPU是采用地址的不同來區(qū)分訪問的是外設(shè)還是存儲器的。（2）獨(dú)立編址：I/O設(shè)備和主存儲器的地址空間相互獨(dú)立，CPU使用專門的I/O指令來訪問外設(shè)。程序查詢時，CPU既可以進(jìn)行串行點(diǎn)名，也可以進(jìn)行并行查詢。（1）串行點(diǎn)名：CPU依次對所有的外設(shè)進(jìn)行查詢，不過每次只查詢一臺。（2）并行查詢：將各個外設(shè)的狀態(tài)位集中起來，由CPU通過一個專用的端口來讀取，每次可以同時查詢多個外設(shè)的狀態(tài)。2.程序中斷方式在I/O控制中引入中斷，是為了解決程序控制輸入/輸出方法中CPU低效等待的缺陷。采用該機(jī)制，CPU將無須定期查詢I/O系統(tǒng)的狀態(tài)，節(jié)約時間。當(dāng)I/O系統(tǒng)完成后，則以中斷信號通知CPU,之后CPU保存正在執(zhí)行程序的現(xiàn)場（包括程序計數(shù)器PC,記住執(zhí)行到哪個指令），然后轉(zhuǎn)入I/O中斷服務(wù)程序完成數(shù)據(jù)交換。而收到中斷請求后，停止正在執(zhí)行的代碼，保存現(xiàn)場的時間稱為中斷響應(yīng)時間，這個時間應(yīng)該盡可能地短。在系統(tǒng)中有多個中斷源時，常見的處理方法如下。（1）多中斷信號線法：就是給每個中斷源拉一根電話線,做到專線專用。（2）中斷軟件查詢法：CPU收到中斷后轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序，由該程序來確認(rèn)中斷源。（3）雛菊鏈法：硬件查詢法，所有的I/O模塊共享一條共同的中斷請求線。（4）總線仲裁法：一個I/O設(shè)備在發(fā)出中斷請求前，必須先獲得總線控制權(quán)。由總線仲裁機(jī)制來決定誰有權(quán)發(fā)出中斷信號。（5）中斷向量表法：中斷向量表用來保存各個中斷源的中斷服務(wù)程序的入口地址，當(dāng)外設(shè)發(fā)出中斷后，由中斷控制器確定其中繼號。3.DMA工作方式中斷法雖然比程序控制法更加有效，但由于都是由軟件來完成工作的，因此難以滿足高速傳輸?shù)囊?。而DMA工作方式則使用DMA控制器（DMAC）來控制和管理數(shù)據(jù)傳輸。DMAC與CPU共享系統(tǒng)總線，并且具有可以獨(dú)立訪問存儲器的能力。在進(jìn)行DMA時，CPU放棄對系統(tǒng)總線的控制，改由DMAC控制總線；由DMAC提供存儲器地址及必需的讀寫控制信號，實(shí)現(xiàn)外設(shè)與存儲器的數(shù)據(jù)交換。（1）向CPU申請DMA傳送。（2）獲得CPU允許后，DMA控制器接管系統(tǒng)總線的控制權(quán)。（3）在DMA控制器的控制下，在存儲器和外設(shè)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，在傳送過程中無須CPU參與，開始時需要提供傳送數(shù)據(jù)的長度和起始地址。（4）傳送結(jié)束后，向CPU返回DMA操作完成信號。DMAC獲取系統(tǒng)總線的控制權(quán)可以采用暫停方式（CPU交出控制權(quán)到DMA操作結(jié)束）、周期竊取方式（CPU空閑時暫時放棄總線，插入一個DMA周期）、共享方式（CPU不使用系統(tǒng)總線時，由DMAC來進(jìn)行DMA傳輸）。2.6存儲體系 在計算機(jī)中，用于存放程序或數(shù)據(jù)的存儲部件有CPU內(nèi)部寄存器、高速緩沖存儲器（Cache）、主存儲器（內(nèi)存儲器、內(nèi)存）、輔存（外存儲器、外存）。它們的存取速度不一樣，從快到慢依次為寄存器Cache內(nèi)存輔存。一般來講，速度越快，成本就會越高。因?yàn)槌杀驹礁?，所以容量就會越小。?yán)格來說，CPU內(nèi)部寄存器不算存儲系統(tǒng)。因此，在計算機(jī)的存儲體系中，Cache是訪問速度最快的層次。在存儲體系這個知識點(diǎn)，主要考查內(nèi)存編址、內(nèi)存容量的計算、Cache（高速緩沖存儲器），以及磁盤參數(shù)的計算。2.6.1主存儲器 主存儲器（內(nèi)存）采用的是隨機(jī)存取方式，因此簡稱為RAM（Random Access Memory）。如果計算機(jī)斷電，則RAM中的信息會丟失。內(nèi)存需對每個數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼，即每個單元有個地址，這就是所謂的內(nèi)存編址問題。內(nèi)存一般按照字節(jié)編址或按照字編址，通常采用十六進(jìn)制表示。例如，假設(shè)某內(nèi)存儲器按字節(jié)編址，地址從A4000H到CBFFFH,則表示該存儲器有（CBFFF-A4000）+1個字節(jié)（28000H字節(jié)），也就是163840個字節(jié)（160KB）。要注意的是，編址的基礎(chǔ)可以是字節(jié)，也可以是字（字是由一個或多個字節(jié)組成的），要算地址位數(shù)，首先應(yīng)計算要編址的字或字節(jié)數(shù)，然后求2的對數(shù)即可得到。例如，上述內(nèi)存的容量為160KB,則需要18位地址來表示（217= 131072,218= 262144）。在內(nèi)存這個知識點(diǎn)的另外一個問題，就是求存儲芯片的組成問題。實(shí)際的存儲器總是由一片或多片存儲器配以控制電路構(gòu)成的。設(shè)其容量為WB,W是存儲單元的數(shù)量，B表示每個單元由多少位組成。如果某一芯片規(guī)格為wb,則組成WB的存儲器需要用（W/w）（B/b）塊芯片。例如，上述例子中的存儲器容量為160KB,若用存儲容量為32K8bit的存儲芯片構(gòu)成，因?yàn)?B=8b（一個字節(jié)由8位組成），則至少需要（160K/32K）（1B/8b）=5塊。2.6.2高速緩沖存儲器Cache的功能是提高CPU數(shù)據(jù)輸入/輸出的速率，突破所謂的馮諾依曼瓶頸,即CPU與存儲系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳送帶寬限制。高速存儲器能以極高的速率進(jìn)行數(shù)據(jù)的訪問，但因其價格高昂，如果計算機(jī)的內(nèi)存完全由這種高速存儲器組成，則會大大增加計算機(jī)的成本。通常在CPU和內(nèi)存之間設(shè)置小容量的高速存儲器 Cache.Cache容量小但速度快，內(nèi)存速度較低但容量大，通過優(yōu)化調(diào)度算法，系統(tǒng)的性能會大大改善，仿佛其存儲系統(tǒng)容量與內(nèi)存相當(dāng)而訪問速度近似 Cache.1.Cache基本原理使用Cache改善系統(tǒng)性能的依據(jù)是程序的局部性原理。依據(jù)局部性原理，把內(nèi)存中訪問概率高的內(nèi)容存放在Cache中，當(dāng)CPU需要讀取數(shù)據(jù)時就首先在Cache中查找是否有所需內(nèi)容，如果有，則直接從Cache中讀??；若沒有，再從內(nèi)存中讀取該數(shù)據(jù)，然后同時送往CPU和Cache.如果CPU需要訪問的內(nèi)容大多都能在Cache中找到（稱為訪問命中），則可以大大提高系統(tǒng)性能。如果以h代表對Cache的訪問命中率（1-h稱為失效率，或者稱為未命中率），t1表示Cache的周期時間，t2表示內(nèi)存的周期時間，以讀操作為例，使用Cache+主存儲器的系統(tǒng)的平均周期為t3.則：系統(tǒng)的平均存儲周期與命中率有很密切的關(guān)系，命中率的提高即使很小也能導(dǎo)致性能上的較大改善。例如：設(shè)某計算機(jī)主存的讀/寫時間為100ns,有一個指令和數(shù)據(jù)合一的Cache,已知該Cache 的讀/寫時間為10ns,取指令的命中率為98%,取數(shù)的命中率為95%.在執(zhí)行某類程序時，約有1/5指令需要存/取一個操作數(shù)。假設(shè)指令流水線在任何時候都不阻塞，則設(shè)置Cache后，每條指令的平均訪存時間約為：（2%100ns + 98%10ns）+ 1/5（5%100ns + 95%10ns） = 14.7ns2.映射機(jī)制當(dāng)CPU發(fā)出訪存請求后，存儲器地址先被送到Cache控制器以確定所需數(shù)據(jù)是否已在Cache中，若命中則直接對Cache進(jìn)行訪問。這個過程稱為Cache的地址映射（映射）。在Cache的地址映射中，主存和Cache將均分成容量相同的塊（頁）。常見的映射方法有直接映射、相聯(lián)映射和組相聯(lián)映射。（1）直接映射直接映射方式以隨機(jī)存取存儲器作為Cache存儲器，硬件電路較簡單。直接映射是一種多對一的映射關(guān)系，但一個主存塊只能夠拷貝到Cache的一個特定位置上去。Cache的塊號i和主存的塊號j有函數(shù)關(guān)系：i=j%m（其中m為Cache總塊數(shù)）。例如，某Cache容量為16KB（即可用14位表示），每塊的大小為16B（即可用4位表示），則說明其可分為1024塊（可用10位表示）。則主存地址的最低4位為Cache的塊內(nèi)地址，然后接下來的中間10位為Cache塊號。如果內(nèi)存地址為1234E8F8H（一共32位），那么最后4位就是1000（對應(yīng)十六進(jìn)制數(shù)的最后一位8），而中間10位，則應(yīng)從E8F（1110 1000 1111）中獲取，得到10 1000 1111.因此，內(nèi)存地址為1234E8F8H的單元裝入的Cache地址為10 1000 1111 1000.直接映射方式的優(yōu)點(diǎn)是比較容易實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是不夠靈活，有可能使Cache的存儲空間得不到充分利用。例如，假設(shè)Cache有8塊，則主存的第1塊與第17塊同時復(fù)制到Cache的第1頁，即使Cache其他頁面空閑，也有一個主存頁不能寫入Cache.（2）全相聯(lián)映射全相聯(lián)映射使用相聯(lián)存儲器組成的Cache存儲器。在全相聯(lián)映射方式中，主存的每一頁可以映射到Cache的任一頁。如果淘汰Cache中某一頁的內(nèi)容，則可調(diào)入任一主存頁的內(nèi)容，因而較直接映射方式靈活。在全相聯(lián)映射方式中，主存地址不能直接提取Cache頁號，而是需要將主存頁標(biāo)記與Cache各頁的標(biāo)記逐個比較，直到找到標(biāo)記符合的頁（訪問Cache命中），或者全部比較完后仍無符合的標(biāo)記（訪問Cache失敗）。因此這種映射方式速度很慢，失掉了高速緩存的作用，這是全相聯(lián)映射方式的最大缺點(diǎn)。如果讓主存頁標(biāo)記與各Cache標(biāo)記同時比較，則成本又太高。全相聯(lián)映射方式比較器電路難于設(shè)計和實(shí)現(xiàn)，因此只適用于小容量Cache.（3）組相聯(lián)映射組相聯(lián)映射是直接映射和全相聯(lián)映射的折中方案。它將Cache中的塊再分成組，通過直接映射方式?jīng)Q定組號，通過全相聯(lián)映射方式?jīng)Q定Cache中的塊號。在組相聯(lián)映射方式中，主存中一個組內(nèi)的塊數(shù)與Cache的分組數(shù)相同。例如，容量為64塊的Cache采用組相聯(lián)映射方式，每塊大小為128個字，每4塊為一組。若主存容量為4096塊，且以字編址，那么主存地址應(yīng)該為多少位？主存區(qū)號（組號）為多少位？這樣的題目，首先根據(jù)主存與Cache塊的容量需一致，即每個內(nèi)存塊的大小也是128個字，因此共有1284096個字（219個字），即主存地址需要19位。因?yàn)镃ache的容量為64塊，所以內(nèi)存需要分為4096/64個組，即26,因此主存組號需6位。在組相聯(lián)映射中，由于Cache中每組有若干可供選擇的頁，因而它在映射定位方面較直接映射方式靈活；每組頁數(shù)有限，因此付出的代價不是很大，可以根據(jù)設(shè)計目標(biāo)選擇組內(nèi)頁數(shù)。3.淘汰算法當(dāng)Cache產(chǎn)生了一次訪問未命中之后，相應(yīng)的數(shù)據(jù)應(yīng)同時讀入CPU和Cache.但是當(dāng)Cache已存滿數(shù)據(jù)后，新數(shù)據(jù)必須淘汰Cache中的某些舊數(shù)據(jù)。最常用的淘汰算法有隨機(jī)淘汰法、先進(jìn)先出法（FIFO）和近期最少使用淘汰法（LRU）。其中平均命中率最高的是LRU算法。4.寫操作因?yàn)樾枰ＷC緩存在Cache中的數(shù)據(jù)與內(nèi)存中的內(nèi)容一致，相對讀操作而言，Cache的寫操作比較復(fù)雜，常用的有以下幾種方法。（1）寫直達(dá)（write through）。當(dāng)要寫Cache時，數(shù)據(jù)同時寫回內(nèi)存，有時也稱為寫通。（2）寫回（write back）。CPU修改Cache的某一行后，相應(yīng)的數(shù)據(jù)并不立即寫入內(nèi)存單元，而是當(dāng)該行從Cache中被淘汰時，才把數(shù)據(jù)寫回到內(nèi)存中。（3）標(biāo)記法。對Cache中的每一個數(shù)據(jù)設(shè)置一個有效位。當(dāng)數(shù)據(jù)進(jìn)入Cache后，有效位置1;而當(dāng)CPU要對該數(shù)據(jù)進(jìn)行修改時，數(shù)據(jù)只需寫入內(nèi)存并同時將該有效位清0.當(dāng)要從Cache中讀取數(shù)據(jù)時需要測試其有效位，若為l,則直接從Cache中取數(shù)；否則從內(nèi)存中取數(shù)。2.6.3磁盤磁盤是最常見的一種外部存儲器，它是由一至多個圓形磁盤組成的，其結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。圖2-2 磁盤主要術(shù)語示意圖磁盤的常見技術(shù)指標(biāo)如下。（1）計算磁道數(shù)：（外半徑-內(nèi)半徑）磁道密度記錄面數(shù)說明：磁盤的第一面與最后一面是起保護(hù)作用的，一般不用于存儲數(shù)據(jù)，所以在計算的時候要減掉。例如，6個雙面的盤片的有效記錄面數(shù)是62-2=10.（2）非格式化容量=位密度 3.14 最內(nèi)圈直徑總磁道數(shù)說明：每個磁道的位密度是不相同的，但每個磁道的容量卻是相同的。一般來說，0磁道是最外面的磁道，其位密度最小。（3）格式化容量 = 每道扇區(qū)數(shù)扇區(qū)容量總磁道數(shù)（4）平均數(shù)據(jù)傳輸速率 = 每道扇區(qū)數(shù)扇區(qū)容量盤片轉(zhuǎn)速說明：盤片轉(zhuǎn)速是指磁盤每秒鐘轉(zhuǎn)多少轉(zhuǎn)。（5）存取時間 = 尋道時間 + 等待時間說明：尋道時間是指磁頭移動到磁道所需的時間；等待時間是指等待讀寫的扇區(qū)轉(zhuǎn)到磁頭下方所用的時間。顯然，尋道時間與磁盤的轉(zhuǎn)速沒有關(guān)系，而是取決于磁盤移動臂的速度。2.6.4RAID廉價磁盤冗余陣列（Redundant Array of Inexpensive Disks,RAID）技術(shù)旨在縮小日益擴(kuò)大的CPU速度和磁盤存儲器速度之間的差距。其策略是用多個較小的磁盤驅(qū)動器替換單一的大容量磁盤驅(qū)動器，同時合理地在多個磁盤上分布存放數(shù)據(jù)以支持同時從多個磁盤進(jìn)行讀寫，從而改善了系統(tǒng)的I/O性能。最初，inexpensive一詞主要針對當(dāng)時另一種技術(shù)（Single Large Expensive Disk,SLED）而言，但隨著技術(shù)的發(fā)展，SLED已是明日黃花，RAID和non-RAID皆采用了類似的磁盤技術(shù)。因此 RAID現(xiàn)在代表獨(dú)立磁盤冗余陣列（Redundant Array of Independent Disks），用 independent來強(qiáng)調(diào)RAID技術(shù)所帶來的性能改善和更高的可靠性。RAID機(jī)制中共分8個級別，RAID應(yīng)用的主要技術(shù)有分塊技術(shù)、交叉技術(shù)和重聚技術(shù)。（1）RAID 0級（無冗余和無校驗(yàn)的數(shù)據(jù)分塊）：具有最高的I/O性能和最高的磁盤空間利用率，易管理，但系統(tǒng)的故障率高，屬于非冗余系統(tǒng)，主要應(yīng)用于那些關(guān)注性能、容量和價格而不是可靠性的應(yīng)用程序。（2）RAID 1級（磁盤鏡像陣列）：由磁盤對組成，每一個工作盤都有其對應(yīng)的鏡像盤，上面保存著與工作盤完全相同的數(shù)據(jù)拷貝，具有最高的安全性，但磁盤空間利用率只有50%.RAID 1主要用于存放系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)以及其他重要文件。它提供了數(shù)據(jù)的實(shí)時備份，一旦發(fā)生故障所有的關(guān)鍵數(shù)據(jù)即刻就可使用。（3）RAID 2級（采用糾錯海明碼的磁盤