【软考】计算机硬件基础知识2

1、存储系统
存储器的存取方式

存储器的性能
1)、存取时间：对于随机存储，就是完成一次读/写所花的时间；对非随机存取，就是将读写装置移动到目的位置所花的时间。
2)、存储器带宽：每秒钟能访问的位数。计算公式：1/存储器周期每周期可访问的字节数。通常存储器周期是纳秒级（ns，即10的-9次方秒）。如：存储器的周期是200ns，而每个周期可访问4字节。则带宽=1/200ns(4字节8)=160Mbps。
3)、数据传输率：每秒钟输入/输出的数据位数。对于随机存储，传输率R=1/存储器周期；对于非随机存取，读写N位所需的平均时间=平均存取时间+N位/数据传输率。
主存储器基础
主存储器种类
1)、 RAM：随机存储器，可读写，断电后数据无法保存，只能暂存数据。一般是用在处理器的缓存里面
2)、 SRAM：静态随机存储器，在不断电时信息能够一直保持。目前SRAM基本上只用于CPU内部的一级缓存以及内置的二级缓存。仅有少量的网络服务器以及路由器上能够使用SRAM。。
3)、 DRAM：动态随机存储器，需要定时刷新以维持信息不丢失。而且是行列地址复用的，许多都有页模式。
4)、 ROM：只读存储器，出厂前用掩膜技术写入，常用于存放BIOS和微程序控制。
5)、 PROM：可编程ROM，只能够一次写入，需用特殊电子设备进行写入。
6)、 EPROM：可擦除PROM，用紫外线照射15-20分钟可擦去所有信息，可写入多次。
7)、 E2PROM：电可擦除EPROM，可以写入，但速度慢。
8)、闪速存储器：现在U盘使用的种类，可以快速写入。
主存储器：简称内存、主存，用来存放机器当前运行所需的程序和数据，以便向CPU提供信息，容量小速度快，如DDR4内存条。主存一般由RAM和ROM两种工作方式的存储器组成，绝大部分存储空间由RAM组成。常见的SDRAM同步动态随机存取存储器发展经历 SDR SDRRAM 到 DDR4 RAM。主存储器主要由存储体、控制线路、地址寄存器、数据寄存器、地址译码电路等部分组成；读出时，CPU将要读出的存储单元地址送入地址寄存器，经过地址译码电路分析后选中主存对应的存储单元，在控制线路的作用下将备选存储单元的内容读取到数据寄存器中，读操作完成；写入时，CPU将要存储单元的地址送入地址寄存器，经地址译码线路分析选中主存的对应存储单元，在控制线路作用下将数据寄存器的内容写入指定的存储单元中。主存性能指标包括内存容量、存储时间（从接到读写命令到读写操作完为止所需要的时间）、带宽（即每秒传送的数据位数）、可靠性（可靠性用平均鼓掌间隔时间MTBF来衡量）
2、 Cache

1)、高速缓存Cache
在计算机存储系统的层次结构中，介于中央处理器和主存储器之间的高速小容量存储器。它和主存储器一起构成一级的存储器。高速缓冲存储器和主存储器之间信息的调度和传送是由硬件自动进行的。由静态存储芯片(SRAM)组成，容量比较小但速度比主存高得多，接近于CPU的速度。
2)、 Cache原理、命中率、失效率
使用Cache改善系统性能的主要依据是程序的局部性原理。
如果Cache的访问命中率为h（通常1-h就是Cache的失效率），而Cache的访问周期时间是t1，主存储器的访问周期时间是t2，则整个系统的平均访存时就应该是：t3=ht1+（1-h）t2
3)、 Cache存储器的映射机制
分配给Cache的地址存放在一个相联存储器（CAM）中。CPU发生访存请求时，会先让CAM判断所要访问的字的地址是否在Cache中，如果命中就直接使用。这个判断的过程就是Cache地址映射。常见的映射方法有直接映射、全相联映射和组相联映射3种。
直接映射：是一种多对一的映射关系，但一个主存块只能够复制到Cache的一个特定位置上去。Cache的行号i和主存的块号j有函数关系：i=j%m（m为Cache的总行数）。
全相联映射：将主存中的一个块的地址与块的内容一起存于Cache的行中，任一主存块能映射到Cache中任意行（主存块的容量等于Cache行容量），速度更快，但控制复杂。
组相联映射：是前两种方式的折中方案。它将Cache中的块再分成组，然后通过直接映射方式决定组号，再通过全相联映射方式决定Cache中的块号。
4)、 Cache淘汰算法
当Cache数据已满，并且出现未命中情况时，就是淘汰一些老的数据，更新一些新的数据。选择淘汰什么数据的方法就是淘汰算法。常见的方法有3种。
(1)随机淘汰
(2)先进先出（FIFO）淘汰（即淘汰最早调入Cache的数据）
(3)最近最少使用（LRU）淘汰法
其中命中率最高的是LRU算法。
5)、 Cache存储器的写操作
在使用Cache时，需要保证其数据与主存一致，因此在写Cache时就需要考虑与主存间的同步问题，通常使用以下3种方法
写直达（写Cache时，同时写主存）
写回（写Cache时不马上写主存，而是等其淘汰时回写）
标记法
3、外存储器（辅存）
外存储用来存储暂时不用的程序和数据，外存上的数据以文件的形式存储，外存容量大速度慢，CPU不能直接访问外存中的程序和数据，只有将其以文件为单位调入主存方可访问，外存储器主要由磁表面存储器和光盘存储器构成；
1)、磁盘
存储器由盘面、驱动器、控制器和接口组成。接口是连接主机和外存储器的连接部件，控制器接收主机命令转换成驱动器的控制命令，驱动磁头盘面做径向运动寻找目标磁道位置，驱动盘片稳定旋转，控制数据的读写；磁盘是按照某种规律将一连串的二进制数字信息变换成为磁介质上的某个磁通翻转形式，采用串-并行的方式写入。
2)、硬盘
有固态硬盘SSD、机械硬盘HDD和混合硬盘，固态硬盘是闪存颗粒存储，HDD采用磁性碟片存储、混合硬盘是两者集成的。
硬盘的主要技术指标有：
存储容量，指格式化容量=记录面数每个记录面磁道数每道的扇区数每个扇区数的字节数；
平均访问时间，包括平均寻道时间（磁头移到目标磁道的时间）+平均等待时间（目标扇区旋转到磁头下时间，一般使用磁道旋转一周时间的一半做平均等待时间）；
数据传输率，指磁头找到数据后单位时间读写字节数，数据传输率=每道扇区数每个扇区字节数磁盘转速；
3)、光盘存储器
一般采用聚焦激光束在盘式介质上非接触式记录高密度信息的存储装置；
光盘存储器由光学、电学和机械部件组成，特点是记录密度高是磁盘的10~100倍、存储容量大，采用非接触读写，存储时间长，对机械结构精度要求不高、读写速度慢但多通道记录时数据传输率高，光盘易于更换可以做成自动还盘装置；
4)、 USB移动硬盘和USB闪存盘
USB移动硬盘支持热插拔，硬盘盒将里面的硬盘数据接口标准转成USB数据接口标准，传输速率与采用的usb接口标准有关。
USB闪盘又叫U盘，是使用闪存作为存储介质的一种半导体存储设备，采用的usb接口标准,，具有容量大、速度快、体积小、寿命长的特点，还就有基本型、加密型、启动型等类型；
5)、云存储
云存储是一种服务，是云计算概念上发展出来的，是通过集群应用、网络技术和分布式文件系统等功能，将网络组中大量不同类型的存储设备通过应用软件集合起来协同工作，共同提供数据存储和业务访问功能的一个系统，所以云存储是一个以数据存储和管理为核心的云计算系统；
6)、相联存储器
相联存储器是一种按内容访问的存储器，其工作原理是将数据或数据的某一部分作为关键字按顺序写入信息，读出时并行的将该关键字与存储器中每一单元进行比较，找出存储器中所有与关键字相同的数据字，特别适合信息的检索和更新；
相联存储器结构如下图，为提高比较速度，其中比较器数量应很大，进行位比较时应每位对应一个比较器，所以有2的m次方*N位个，对于字比较应该有2的m次方个；匹配寄存器用来存储比较结果，1为相等，0为不等；

7)、 SCSI与RAID
SCSI接口是小型计算机系统接口的简称，它是一种输入/输出接口，主要用于光盘机、磁带机、硬盘、扫描仪、打印机等设备。它的特点就是速度快，支持多I/O任务并行操作。

RAID是多台磁盘存储器组成的一个快速、大容量、高可靠性的辅助存储子系统。它通过利用多磁盘来提高数据传输率；通过数据冗余与校验实现可靠性；通常采用专用的控制芯片，用SCSI总线与计算机系统相连。RAID主要分为6级。

最广泛的包括RAID0、RAID1、RAID3、RAID5四种
 RAID0：在多个磁盘上条带化。RAID0没有冗余度，通常用于数据的稳定性并不重要，但对数据传输的速度要求很高的场合。如果RAID0系统中的任何一个磁盘出现故障，所有磁盘上的数据都会丢失。
 RAID1：磁盘镜像，这是最昂贵的组合，因为每个磁盘都有一个额外的磁盘作为它的冗余配置。两个硬盘镜像后可使用的只有一个硬盘的容量。由于不在同一个磁盘上进行条带化写入数据，因此其写入相对要慢一些，从另一个方面说，它通常具有优良的读出性能。
 RAID3：它是在数据磁盘之间进行条状数据写入，然后将校验信息写到校验盘。相对于RAID1更加经济，而且如果其中任何一块磁盘损坏，都可以插入一个空磁盘，然后RAID控制器会根据其他盘的数据来还原这个磁盘。
 RAID5：称为带有奇偶校验的带区集。RAID5与RAID1的工作方式类似，但RAID5在写入数据的时候还要写入校验信息。这些校验信息是由被保存的数据通过奇偶校验的算法计算出来的。在RAID5中校验信息被写入到不同的硬盘中，目的是在源数据部分丢失的情况下可以通过剩余的数据和校验信息恢复丢失的数据。RAID5只能容忍一块磁盘损坏，多于一块的磁盘同时损坏，RAID5将不能恢复数据。RAID5具有良好的读写性能，并且其磁盘利用率比RAID1要高，现在被广泛的采用。
 RAID0+1：RAID0+1是磁盘分段及镜像的结合，结合了RAID0及RAID1最佳的优点。它采用两组RAID0的磁盘阵列互为镜像，也就是它们之前又成为一个RAID1阵列。在每次写入数据时，磁盘阵列控制器会将数据同时写入两组"大容量阵列硬盘组"（RAID0）中。

4、输入/输出系统
1)、输入/输出系统原理
程序控制工作方式
这种工作模式下，输入/输出完全由CPU控制，在整个I/O过程中，CPU必须等待其完成，因而限制了CPU的高速能力。不过在这种方式下，程序主动查询外设，完成主机与外设间的数据传送，方法简单，硬件开销小。在这种方式下，需要对I/O设备进行编码，其主要的编码方式包括如下两种。
存储器映射：即I/O设备和主存储器统一编址，使用相同的机器指令来访问内存和外设，这种方式下，CPU根据地址的不同来区分访问的是外设还是存储器。
独立编址：I/O设备和主存储器的地址空间相互独立，CPU使用专门的I/O指令来访问外设。
当需要对外设进行查询时，可以采用以下两种方式。
串行点名：CPU依次对所有的外设进行查询，不过每次只查询一台。
并行查询：把各个外设的状态位集中起来，由CPU通过一个专用的端口来读取，每一次可以同时查询多上外设的状态。
程序中断工作方式
在I/O控制中引入中断，是为解决"程序控制输入/输出"方法中CPU低效等待的缺陷。采用该机制，CPU将无须定期查询I/O系统的状态，而可以抽身处理其他事务。当I/O系统完成后，则以中断信号通知CPU，然后CPU保存下在执行程序的现场（包括程序计数器PC,记住当关执行到哪条指令），接着转入I/O中断服务程序完成数据交换。在收到中断请求后，停止正在执行的代码，保存现场的时间称为中断响应时间。
当系统中有多个中源时，常见处理方法
多中断信号线法：就是给每个中断源"拉一根电话线"，“专线专用”。
中断软件查询法：CPU收到中断后转到中断服务程序，由该程序来确信中断源。
雏菊链法：硬件查询法，所有的I/O模块共享一条共同的中断请求线。
总线仲裁法：一个I/O设备在发出中断请求前，必须先获得总线控制权。由总线仲裁机制来决定谁有权发出中断信号。
中断向量表法：中断向量表用来保存各个中断源的中断服务程序的入口地址，当外设发出中断后，由中断控制器确定其中断号。
DMA工作方式
中断法比程序控制法更加有效，但都是由软件来完成工作，因此难以满足高速传输要求。而DMA直接存储器存取方式则使用DMA控制器（DMAC）来控制和管理数据传送。DMAC与CPU共享系统总线，并且具有独立访问存储器的能力。
在进行DMA时，CPU放弃对系统总线的控制，改由DMAC控制总线；由DMAC提供存储器地址及必需的读写控制信号，实现外设与存储器的数据交换。实现DMA的基本步骤如下：

（1）、向CPU申请DMA传送。
（2）、获得CPU允许后，DMA控制器接管系统总线的控制权。
（3）、在DMA控制器的控制下，在存储器和外设之间进行数据传送，在传送过程中无须CPU参与，开始时需要提供传送数据的长度和起始地址。
（4）、传送结束后，向CPU返回DMA操作完成信号。
DMAC获取系统总线的控制权可以采用暂停方式（CPU交出控制权到DMA操作结束）、周期窃取方式（CPU空闲时暂时放弃总线时，插入一个DMA周期）、共享方式（CPU不使用系统总线时，由DMAC来进行DMA传输）。

2)、 I/O通道技术
通道是一种通过执行通道程序管理I/O操作的控制器，它使CPU与I/O操作达到更高的并行度。
 通道的功能
接受CPU的I/O指令，按指令要求与指定的外围设备进行通信。
从主存中读出相应的通道指令，经译码后向设备控制器和设备发送各种命令。
组织外设和主存进行数据传送。
获得外设的状态信息，存入内存供CPU使用。
将外设的中断请求和通道本身的中断请求按顺序报告CPU。
 通道的类型
选择通道（连接多台快速I/O设备，但一次只能使用一台）。
字节多路通道（连接多台慢速I/O设备，以交叉的方式传递数据）。
数据多路通道（综合前两者的优点）。
3)、设备总线及系统总线
 常见的I/O总线类型
IDE：常用的磁盘接口，允许硬盘容量<=528MB，现在使用的是增强型EIDE接口，传输率有UDMA-33，UDMA-66，UDMA-133三种，拥有32位的数据带宽，最多可连接4个设备。
SCSI：用雏菊链的方式连接多个I/O设备。
PCMCIA：是一种笔记本上常见接口体积小、扩展灵活用于连接外存、MODEM、网卡等。
USB：是以个人计算机为主站，它最大可连接127个设备。USB1.0的速度是1.2Mbps，USB2.0的是速度达到480Mbps，并且支持热插拔。
1394接口：广泛用于娱乐性外设，如DC，是一种串行接口，速度可达400Mbps，新的标准是800Mbps，也使用雏菊链式连接，每个端口可支持63个设备，使用桥互联可以完成树配置，支持高达6022个设备。也支持热插拔。
4)、系统总线
计算机系统中采用总线结构，优点：简化了硬件的设计。系统扩展性好。减少信息传输线的数量。便于故障诊断和维修。
常见的个人计算机系统总线包括ISA、EISA、PCI、AGP这4种。

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