计算机基础
计算机基础
组成原理
计算机基本硬件系统五大组成部分：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备
CPU
寄存器
运算器的四个重要寄存器：
算术逻辑单元ALU（实现对数据的算术和逻辑运算）
累加寄存器AC（运算结果或源操作数的存放区）
数据缓冲寄存器DR（暂时存放内存的指令或数据）、
状态条件寄存器 PSW（保存指令运行结果的条件码内容，如溢出标志等）组成。
执行所有的算术运算，如加减乘除等；执行所有的逻辑运算并进行逻辑测试，如与、或、非、比较等。
控制器的四个重要寄存器：
指令寄存器IR（存储即将执行的CPU指令）
程序计数器PC（存放 下一条指令所在内存单元地址 ）
地址寄存器AR（保存当前CPU所访问的内存地址）
指令译码器ID（分析指令操作码）等组成。
先从PC （存储即将执行的CPU指令） 中将指令的地址取出，
放入AR(保存当前CPU所访问的内存地址)中，然后从主存M中取出指令，
放入DR（暂时存放内存的指令或数据）中，
然后放入IR（存储即将执行的CPU指令）中，
ID 分析指令 （分析指令操作码）
指令流水线
流水线周期：指令分成不同执行段，其中执行时间最长的段为流水线周期。
流水线执行时间：1条指令总执行时间+(总指令条数-1)*流水线周期。
流水线吞吐率计算：吞吐率即单位时间内执行的指令条数。 公式：指令条数/流水线执行时间。
流水线的加速比计算：加速比即使用流水线后的效率提升度，即比不使用流水线快了多少表明流水线效率越高，公式：不使用流水线执行时间/使用流水线执行时间。
最大吞吐率：1/ 流水线周期 。一个流水线周期执行一个指令，
指令系统
复杂指令系统
- 指令数量众多。
- 指令使用频率相差悬殊。
- 支持很多种寻址方式。
- 变长的指令。指令长度不是固定的。
- 指令可以对主存单元中的数据直接进行处理
- 以微程序控制为主
精简指令系统
- 指令数量少
- 指令的寻址方式少。
- 指令长度固定，指令格式种类少。
- 以硬布线逻辑控制为主。
- 单周期指令执行，采用流水线技术。
- 优化的编译器。
- CPU中的通用寄存器数量多，
总线
总线带宽
总线本身所能达到的最高传输速率，单位兆字节每秒(MB/s)。
如果一个总线周期中产行传送64位数据，总线时钟频率升为66MHz，则总线带宽是 $ 66 * 10^6 * 64 = 528 * 10^6 b/s = 528 MB/s $
连接方式
| 星形连接 | 网状连接 | 三总线 |
|---|---|---|
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总线的特性
- 物理特性:指总线的物理连接方式，包括总线的根数，总线的插头、插座的形状，，刷脚线的排列方式等。
- 功能特性:描述总线中每一根线的功能。
- 电气特性:定义每一根线上信号的传递方向及有效电平范围。送入CPU的信号叫输入信号IN)，从CPU发出的信号叫输出信号(OUT)
- 时间特性:定义了每根线在什么时间有效。规定了总线上各信号有效的时序关系，CPU才能正确无误地使用。
总线的分类
- 内部总线:CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线。
- 系统总线:CPU同计算机系统的其他高速功能部件，如存储器、通道等互相连接的总线。
- I/0总线 中、低速IO设备之间互相连接的总线
总线的仲裁
集中式仲裁
链式(菊花链)查询方式
- 只用很少几根线就能按一定优先次序实现总线仲裁，很容易扩充设备
- 容错性低 。 对询问链的电路故障很敏感，如果第i个设备的接口中有关链的电路有故障，那么第i个以后的设备都不能进行工作。
- 优先级不固定 查询链的优先级是固定的如果优先级高的设备频繁的请求时，优先级低的设备可能长期无法使用总线
- 响应速度慢
计数器定时查询方式
- 使用了更多的线，能使得各个设备的优先级相同。
独立请求方式
- 响应时间快
- 优先级控制灵活;可以屏蔽某些设备，不响应他们的请求
- 使用了更多的线，和内部仲裁设备，能更快、更灵活的响应请求的设备
| 链式(菊花链)查询方式 | 计数器定时查询方式 | 独立请求方式 |
|---|---|---|
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分布式仲裁
分布式仲裁不需要中央仲裁器，每个潜在的主方功能模块都有自己的仲裁号和仲裁器，当它们有总线请求时，把它们唯一的仲裁号发送到共享的仲裁总线上，每个仲裁器将仲裁总线上得到的号与自己的号进行比较。如果仲裁总线上的号大，则它的总线请求不予响应，并撤消它的仲裁号。最后，获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上。显然，分布式仲裁是以优先级仲裁策略为基础。
存储系统
cache
时间局部性：指程字中的某条指令一旦执行，不久以后该指令可能再次执行，典型例子：循环操作
空间局部性：一旦程序访问了某个存储单元，不久以后，其附近的存储单元也将被访问，例子：程
序顺序执行 、 数组遍历
映像方式：
直接相联映像：硬件电路较简单，但冲突率很高。 （ 求余 mod ）
全相联映像：电路难于设计和实现，只适用于小容量的cache,冲突率较低。
组相联映像：直接相联与全相联的折中。 （每个组含n个行，就称为n路组相联）
磁盘阵列
多个磁盘存储器组合成一个大的磁盘。
- RAID0级 无冗余和无校验的数据分块
- RAID1级 磁盘镜像阵列 。 磁盘对组成，每一个工作盘都有其对应的镜像盘，上面保存着与工作盘完全相同的数据拷贝，具有最高的安全性，但磁盘空间利用率只有50% 。
- RAID2级 采用纠错海明码的磁盘阵列 。 大量数据传输时I/O性能较高，但不利于小批量数据传输。
- RAID3、RAID4级 采用奇偶校验码的磁盘阵列 。 RAID3采用位交叉奇偶校验码，RAID4采用块
交叉奇偶校验码 - RAID5 无独立校验盘的奇偶校验码磁盘阵列 。当有N块阵列盘时，用户空间为N-1块盘容量。（有三个盘 80 、80 、40）用户空间为： 40 + 40
- RAID6 具有独立的数据硬盘与两个独立的分布式校验方案
- RAID7 具有最优化的异步高I/O速率和高数据传输率的磁盘阵列
- RAID10 高可靠性与高性能的组合 ，建立在RAID 0和RAID1基础上
输入输出
DCPU和I/0(外设)只能串行工作CPU需要一直轮询检查，
| 程序查询方式 | CPU需要一直轮询检查， | CPU和I/0(外设)只能串行工作 | 中低速设备 | 设备→CPU→内存 内存→CPU→设备 |
字 |
| 中断驱动方式 | 中断是外围设备用来“主动”通知CPU | CPU和I/0(外设)可并行工作 | 中低速设备 | 设备→CPU→内存 内存→CPU→设备 |
字 |
| DMA | DMA控制器从CPU完全接管对总线的控制 数据交换不经过CPU而直接在内存和外围设备之间进行 |
可并行工作 | 用于内存和高速外围设备之间 大批数据交换 |
设备→内存 内存→设备 |
块 |
| 通道方式 | CPU将部分权力下放给通道 | 可并行工作 | 设备→内存 内存→设备 |
一组块 |
性能评判
主频：机器内部主时钟的频率。通常以MHz(兆赫兹)为单位，1Hz表示每秒1次。
CPU时钟周期 = 1/ 主频
其中的2.40GHz就是主频，表示我的电脑一秒可以完成 $ 2.40×10^9 $ 个时钟周期，就表示计算机
一秒可以经历 $ 2.40×10^9 $ 个时钟周期。则，一个时钟周期仅需 $ 1 / ( 2.40×10^9 ) $ 秒。
CPU时钟周期 ：通常为节拍脉冲 ，它是CPU中最小的时间单位，每个动作至少需要一个时钟周期。
指令周期 ：CPU从主存中每取出并执行一条指令所需的全部时间 ，也就是CPU完成一条指令的时间
指令周期常常用若干机器周期表示 。 一个机器周期又包含若干时钟周期
CPI (Cycles PerInstruction，每条指令执行所用的时钟周期数)，由于不同指令的功能不同，造成指令执行时间不同，所以CPI是一个平均值。
MIPS(MillionInstructions PerSecond，每秒百万条指令 的执行速度 。 指令条数 / (执行时间 x $ 10^6 $ )
浮点数
S：浮点数的符号位，1位，0表示正数，1表示负数。
M : 尾数，23位，用原码小数表示，小数点放在尾数域的最前面。
E ：阶码，8位，阶符采用隐含方式， 采用移码方式来表示正负指数。
移码
| 单精度 | 双精度 | |
|---|---|---|
| 指数域 | 8 bit | |
| 尾数 | 23 bit | |
| 最小值 （最小负数） | S=-1 , M=1.111… , E= 127 $-( 2 - 2^{-23} ) \times 2^{127} $ |
|
| 最大负数 | S= -1 ，M=1.0 , E = 1 - 127 = -126 $-2^{-126}$ |
|
| 最小正数 | S= 1 ，M=1.0 , E = 1 - 127 = -126 $2^{-126}$ |
|
| 最大正数 | S=1 , M=1.111… , E= 127 $( 2 - 2^{-23} ) \times 2^{127} $ |
操作系统
存储管理
页式存储
进程中使用的是逻辑地址 ，假如一段逻辑地址是连续的，但是它们所对应存放在内存中的位置却不一定连续。所以需要一个表格记录逻辑地址和物理地址之间的关系，这就是页表。
物理地址：页帧号 + 页内地址
逻辑地址：页号 + 页内地址
例如，页式存储系统中，每个页的大小为4KB。默认按字节编址，即一个存储单元是１byte 。
内存中共有 $ 2^{12} $ 个存储单元，即 4K 。 假如有一逻辑地址 10 1100 1101 1110 , 查页表 10 （十进制 2）对应 6 （二进制 110），其物理地址就是 110 1100 1101 1110
当根据逻辑地址访问数据时，先通过逻辑页号在页表中查找块号，
- 若找到块号，则结合页内地址生成物理地址。
- 找不到块号，则表示该块还没有放进内存，
- 内存不满，那就会把相应的块调入到内存中（缺页中断），然后更新页表。
- 如果内存满了，就会采用某种策略淘汰内存中的其中的一个块。
淘汰优先级
- 状态为1的才能被淘汰。 在内存的页面才能够被淘汰。
- 淘汰访问位为 0
- 淘汰修改位为 0 。 因为修改过的页面，淘汰的时候要考虑一致性
优点：利用率高，碎片小，分配及管理简单。
缺点：增加了系统开销，可能产生抖动现象
快表：将页表存于Cache上；（访问最频繁的少数页面）
慢表：将页表存于内存上。
段式存储
按用户作业中的自然段来划分逻辑空间，然后调入内存，段的长度可以不一样。
◆优点：多道程序共享内存（公用函数），各段程序修改互不影响。
◆缺点：内存利用率低，内存碎片浪费大。
段页存储
段式与页式的综合体。先分段，再分页。1个程序有若干个段，每个段中可以有若干页，每个页的大小相同，但每个段的大小不同。
优点：空间浪费小、存储共享容易、存储保护容易、能动态链接。
缺点：由于管理软件的增加，复杂性和开销也随之增加，需要的硬件以及占用的内容也有所增加，使得执行速度大大下降。
数据库
三级模式两级映射
模式概念，也称为模式、逻辑模式。
- 它是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述；（例如在学生选课数据库模式中，包含学生记录、课程记录和学生选课记录，这就是一个逻辑模式）
- 模式是所有用户的公共数据视图。（因为数据库是多人共享使用的，模式就是大家都看到的样子，综合了所有用户的数据需求。）
外模式，子模式、用户模式，
- 用以描述用户看到或使用的那部分数据的逻辑结构，（具体应用就是视图）
内模式
- 数据物理结构和存储方式的描述
- 记录的存储方式：如顺序存储，按B树结构存储，Hash存储）
- 索引的组织方式：B+树索引，hash索引，Join index索引
- 数据是否压缩存储
- 数据是否加密
外模式/模式映射
保证了数据的逻辑独立性。当模式改变时，数据库管理员修改有关的外模式/模式映像，使外模式保持不变；而应用程序是根据数据的外模式编写的，从而应用程序不必修改，保证了数据与应用程序的逻辑独立性，简称为数据的逻辑独立性。
模式/内模式映射
保证了数据的物理独立性。当数据的存储结构改变时（如本来我们用堆存储，改成了B+树），数据库管理员修改模式/内模式映像，使模式保持不变。
视图
它一个虚拟表(逻辑上的表)，其内容由查询定义(仅保存SQL查询语句)。
数据库只存放视图的定义，而不存放视图对应的数据，这些数据仍存放在原来的基本表中
视图的作用：
- 视图能简化用户操作。
- 视图隐藏了底层的表结构，客户端不再需要知道底层表的结构及其之间的关系。
- 视图使用户能以多种角度看待同一数据
- 例如，Student表涉及全校15个院系学生数据，可以在其上定义15个视图，每个院系的主任只操作本系学生的视图。
- 视图对重构数据库提供了一定程度的逻辑独立性
- 避免数据库的重构造对用户程序产生影响。 数据库逻辑结构改变了，但数据库的外模式保持不变
- 视图可以对机密数据提供安全保护
- 有了视图机制，就可以在设计数据库应用系统时，对不同的用户定义不同的视图，未授权用户无法查看机密数据