第一章：计算机基础

第一节：数据表示

1、进制互转

• 进制表示

二进制只有0和1，所有指令都会转换成底层二进制代码。一个10进制由8位二进制组成，1-10如下：

• 十进制整数转二进制

方法1：熟练掌握2的幂次方的值，套表格直接转换：

例子：

将（250）的10进制转换为二进制表示为

250=128+64+32+16+8+2=2^7+2^6+2^5+2^4+2^3+2^1

=11111010

方法二：用10进制除以2取余，直到商为0

• 二进制小数转十进制

方法一：小数转二进制从左到右依次展开，幂次方取负数

例:（0.1011）转换为十进制

（0.1 0 1 1 ）

2^-1 2^-2 2^-3 2^-4

=1/2+1/8+1/16=(11/16)

方法二：十进制小数部分乘以2取整

• 二进制转八进制

  从右往左起每三位二进制转一位八进制，不足三位的在最左边补0；反之转二进制码，每一位八进制转为三位二进制。

  （100 011 110）=（436）

• 二进制转十六进制

  从右往左起每四位二进制转一位十六进制，不足四位的在最左边补0；反之转二进制码，每一位十六进制转为四位二进制。

  十六进制由1-9 大于9则是a-f（最大16） （1 0001 1110）=（11E）

2、反码、补码、原码

反码表示数要先转原码再计算。

原码1+（-1）运算

0 0000001

1 0000001

1 0000010 原码相加进位

原码、反码、补码的定义

示例：

若某整数16位补码为FFFFH（），则该进制十进制数值为多少

-先取二进制原码：1111 1111 1111 1111

1000 0000 0000 0000

补码是先取反再加1 所以最后一位为1表示为1000 0000 0000 0001

3、逻辑运算

第二节：计算机体系结构结构

1、冯-诺依曼体系结构

控制器主要组成部件包含：控制器、运算器、寄存器、输入设备、输出设备

• 控制器主要组成部分

• 运算器主要组成部分

• 存储器

存储器分为主存储器（简称主存或内存）和辅助存储器（简称辅存或外存）。主存是直接和CPU直接交换信息。外存需要先把信息读取到内存再由内存和CPU进行数据交换

1. 主存储器（main memory）

   • 存放指令和数据，并能由CPU直接随机存取

   • 主存储器可以叠加，数据断电后会丢失。

2. 辅助存储器

   • 用于存放需要长时间保存的程序或数据，断电后不会丢失，容量较大，但存取速度慢

• 输入设备

  用于向计算机输入数据的信息设备，是人机交互的桥梁。如键盘、鼠标、摄像头、扫描仪等

• 输出设备

用于接收计算机的数据输出设备，如显示器、打印机、音响等

2、计算机总线

• 总线的定义

是计算机各种功能部件之间传输信息的公共通信干线

• 计算机总线分类

按照传输信息种类可分为数据总线、地址总线、控制总线

- 数据总线宽度：指CPU种运算器和存储器之间互相连接的内部总线根数，也指代CPU一次读取的二进制位数。也是字长 - 地址总线宽度：也叫地址总线根数，决定了寻址的空间大小。

例如：数据总线宽度为16，说明字长为16bit

地址总线宽度为16，则说明CPU可寻址空间大小为2^16

3、指令系统

1、寻址方式

• 指令的组成

操作码：指明该指令要完成的操作，如取数，做加法或输出数据等

地址码：指明操作数的内容或所在的存储单元地址

• 寻址方式

  指获得操作数的方法，在指令系统种可采用多种寻址方式，以实现扩大寻址空间并提高编程灵活性的目的

  

  常见的寻址方式有：

  1、立即寻址 2、变址寻址 3、直接寻址 4、间接寻址 5、寄存器寻址 6、寄存器间接寻址3.

  常考的几种寻址方式：立即寻址（操作数在指令中。速度最快），直接寻址（操作数在内存中，访存一次）

考点二：多种寻址方式的目的

在指令系统中用多种寻址方式的目的是：扩大寻址空间并提高变成灵活性

2、指令系统的类型

类型分两种

3、flynn分类

4、流水线技术

计算流水线周期：各流水段中，执行时间最长的那一段。

n条指令，采用（t1+t2+t3）+（n-1)t

例 ： 若指令流水线把一条指令分为取指、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lns。那 么，流水线周期是？100条指令全部执行完毕需要的时间就是？

解答：

流水线周期为：2ns

流水线执行100条指令的时间为：（ 2 + 2 + 1 ） + （ 100 -1) × 2 = 203nS

• 流水线技术指标

  吞吐率：单位时间内流水线完成的任务数量，Tp=n/Tkn表示指令条数，Tk表示处理n条指令所需要的时间。理论上最大的吞吐率是：1 / 流水线周期 。

  加速比：不使用流水线所用的时间与使用流水线所用的时间比即为加速比。

  S=Ts/Tk

  效率：流水线的设备利用率称为流水线效率。（采用流水线完成n个任务占用的时空区域有效面积与所占区域总面积之比） 。

• 相关术语

MlPS(Million | nstructions Per Second): 表示每秒处理的百万级的机器语言指令数。

CPI(CIock cycle PerInstruction): 平均指令周期数，表示平均每条计算机指令执行所需的时钟周期。

考法1：

流水线周期t（各流水段中最长的一段）、计算公式（t1+t2+t3+（n-1)t）、理论最大吞吐率（1 / 流水线周期 。）

第三节、存储结构

1、存储系统

（1）、多级存储结构

• cache缓存——主存层次和主存——辅存层次

• 局部性原理：是层次化存储结构的支撑

  • 时间局部性：刚被访问的内容，立即又被访问。

  • 空间局部性：刚被访问的内容，临近的空间很快就再次被访问

1. 考点一：多级存储的速度/容量/目的

2. 考点2：cache缓存——主存层次和主存——辅存层次（表格同上）

2、主存

• （1）主存储器（Main memory）

简称主存，作用是存放指令和数据，并能由CPU直接随机存取。主要由随机存储器RAM和只读存储器ROM组成，主要为DRAM组成。

• （2）芯片类型

在微机发展初期，BIOS都是存放在ROM（Read Only Memory）中，另外还有：

闪存存储器（Flash Memory）：简称闪存,在不加电的情况下能长期保存存储的信息，既有ROM的特点，又有很高的存取速度，而且易于擦除和重写，功耗很小，也可以用作固态大容量存储器的存储芯片。

1. 考点1、主存的组成（主存表格内容）

2. 考点2、flash闪存的特点

   • flash闪存：可读可写，掉电不会丢失，属于非易失性存储器，以块为单位进行擦除和重写，可代替ROM，但不能代替RAM和主存。

• （3）主存容量

采用随机存取的方式，需要对每个存储单元进行编址。

地址编号通常采用16进制表示。

主存容量=存储单元的个数*存储单元的容量

存储单元计算最后要加1：（5-0 +1）*8bit

• （4）容量单位

  • 位：用bit表示，一个二进制表示1bit

  • 字节：用B表示，1B=8bit

  • 字：通常为字节的整数倍，常见有：8/16/32/64bit实际表示CPU一次处理的二进制位数

  • K:1K=2^10=1024B

  • M:1M=2^10K=1024KB

  • G:1G=2^10M=2^20K=1024MB

举个例子：

内存按字节编址，地址从A4000H-CBFFFH，则总共有多少个存储单元，主存储容量为多少？

思路：可先转换为10进制运算，相对简单些。

16 C B F F F — A 4 0 0 0

10 12 11 15 15 15 — 10 4 0 0 0=27FFF+1=28000

答：根据编号范围，可知存储单元个数为：（CBFFF-A4000）+1=28000H个

将28000H转换为2进制： 10 1000 0000 0000 0000

转换为10进制：2^17+2^15(2^10=1K则2^17=2^7K)=2^7K+2^5K=128K+32K=160K

每个存储单元为1字节，及总共28000H个字节，即等于160KB

• （5）芯片片数的计算

主存的总容量实际上是由一片或多片存储芯片配以控制电路构成的，因此：

存储芯片片数=主存容量/单个存储芯片容量

考点1：主存储容量的计算

• 主存容量=存储单元的个数*存储单元的容量

• 存储芯片片数=主存总容量/单个芯片容量

• 注意：存储单元的个数即地址编号个数，存储单元容量即子长

举例：1 、地址编号从80000H到BFFFFH且按字节编址的内存容量是（）KB，若用16K × 4bit 的存储器芯片构成该内存，共需（）片 。

计算：BFFFFH-80000H=11 15 15 15 15-80000=3FFFF+1=40000

转换二进制40000=0100 0000 0000 0000 0000=2^8K=256K

存储芯片

256KB/16*4b=32

举例2：

内存按字节编址，从A1000H到B13FFH的区域存储容量为（）KB

B13FF-

A1000

103FF+1=10400

转换二进制 0001 0000 0100 0000 0000=2^6K+2^0K=65K

3、cache

cache高速缓冲存储器是位于CPU和主存直接，容量较小，但速度很高的存储器，通常由SRAM组成。

cache是利用局部性原理，将主存中可能被访问的内容调入速度更快 的cache中，以解决CPU和主存直接速度不匹配的问题。

• cache和主存之间的映像方式

映射方式有三种：直接方式、全相连方式、组相连方式

1、直接相连

2、全相连

3、组相连

• cache命中率

指CPU在cache中访问命中概率

如果cache的访问命中率为h，二cache的访问周期是t1，主存的访问周期是t2，则整个系统的平均访问时间是：

t3=h*t1+(1-h) * t2

• cache淘汰算法

  • 先进先出

  • 最近最少使用

  • 随机算法

4、硬盘

SATA：使用SATA（serial ATA）接口 的硬盘，又叫串口硬盘，结构简单，支持热插拔拔。

SCDI(small computer system interface)小型计算机系统的接口，是一种广泛应用于小型机上的高速数据传输技术，成本高，SCSI硬盘主要应用于中高端服务器和高档工作站中。

SAS：（serial attached SCSI）即串行连接SCSI，是并行SCSI接口之后开发出来的全新接口，主要是为了改善存储系统的效能，可用性和扩充性，并且提供与SATA硬盘的兼容性

FC：（fiber channel）光纤通道，成本高，性能最好。

• 硬盘对比

• 硬盘分类

  • HDD：传统机械硬盘

  • SSD：固态硬盘

固态硬盘SSD：由控制单元和固态存储单元组成的硬盘

• 各类存储器的存取方式：

• 可靠性指标

  • 失效率：单位时间内发生故障的概率

  • 平均无故障时间MTBF ：一般指产品在两次故障之间的平均时间间隔

  • 平均故障修复时间MTTR ：一般指产品故障维修所需的平均修复时间

  • 可用性：系统可以无故障运行的概率

• 可靠性计算

第二章：操作系统

第一节：操作系统概述

1、操作系统的定义：

操作系统(简称OS)是管理计算机硬件与软件资源的系统 软件,也是计算机中最为重要的基础性系统软件,可直接 运行在裸机之上,并提供人机交互的操作界面。

操作系统:DOS、Windows、Unix和Linux(开源)、Android和iCS(移动端)等;

数据库管理系统:Access,Oracle,MySQL等;

语言处理程序:汇编程序、编译程序和Java解释器等;

2、操作系统功能

五大功能：

1. 进程管理:对处理机的执行时间进行管理,采用多道程序等技述将CPU的时间真正合理的分配给每个任务。

2. 存储管理:是对主存储器空间的管理。包括存储分配与回收、存储保护、地址映射和主存扩充。

3. 文件管理:主要包括文件存储空间管理、目录管理、文件的读写管理和存取管理。

4. 设备管理:对硬件设备进行管理,其中包括输入输出设备备的分配启动、完成和回收。

5. 作业管理:包括任务、人机交互和用户界面管理等。

第二节：进程

进程:是程序在一个数据集合上运行的过程,它是系统进行资原分配和调度的一个独立单位。它由程序块、进程控制块(PCB)和数据块三部分组成。

• 进程与程序的区别:

  • 程序是完成某个特定功能的一系列程序语句的集合

  • 进程是程序的一次执行过程,没有程序就没有进程

  • 程序是静态的概念,而进程是动态的概念,它由创建而产生完成任务后因撤销而消亡

  • 进程是系统进行资源分配和调度的独立单位,而程序不是

• 进程三态模型

• 死锁

如果一个进程在等待一个不可能发生的事(如无限等待另一进程所占有的资源),这种现象称为进程死锁。而如果一个或多个进程产生死锁,就会造成系统死锁。

• 产生死锁的四个必要条件

  • 互斥条件:一个资源每次只能被一个进程使用(独占)。

  • 保持和等待条件:一个进程因请求资源受阻时,对已获得的资源保持不放。

  • 不可剥夺条件:不能强行剥夺其它进程占有的资源。

  • 循环等待条件:多个进程之间形成一种环路等待资源的关系。

• 产生死锁的根本原因

  • 竞争资源

  • 进程间推进顺序不合法

• 解决死锁的四种方法

  • 死锁预防:预防死锁产生的四个必要条件成立

  • 死锁避免:银行家算法

  • 死锁检测:检测是否有死锁发生

  • 死锁解除:强行剥夺或进程撤销

• 死锁避免--银行家算法

  • 基本原理:分配资源的原则

  • 当一个进程对资源的最大需求量不超过系统中的资源数时可以

  • 接纳该进程。

  • 进程可以分期请求资源,但请求的总数不能超过最大需求量量。

  • 当系统现有的资源不能满足进程尚需资源数时,对进程的请情求

  • 可以推迟分配,但总能使进程在有限的时间里得到资源。

• 最少资源数计算

R≥m*(n-1)+1

其中,m为并发进程的数量,n为各进程需要的资源数量量。

• 进程的互斥和同步

1. 在操作系统中,进程是占有资源的最小单位。

2. 临界资源:一次只能被一个进程所占用的资源。典型的如丁印机。

3. 进程互斥:指当一个进程访问某临界资源时,另一个想要认方问此临界资源的进程必须等待。