网工职称考试关键考点.docx
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网工职称考试关键考点
第一章计算机组成与结构
考点1计算机基本工作原理
1、计算机中数据的表示
（1）定点数与浮点数
●定点数：
约定机器中所有小数点位置固定不变。
一是将小数点的位置固定数据的最高，二是固定在最低位之后。
前者为定点小数，后者为定点整数。
当数据小于定点能表示的最小值时，计算机做0处理，称为“下溢”；大于定点表示的最大值时，称为“上溢”，统称为“溢出”。
●浮点数：
一个机器浮点数由阶码和尾数及组成，其中：
尾数决定精度，阶码决定表示范围，最适合表示浮点阶码的数字编码是移码。
（2）数的机器码表示
1原码表示法：
符号位表示该数的符号，“0”表示正数，“1”表示负数，而数值部分仍保留着其真值的特征。
●小数原码的定义
例如：
X=+0.1011，则[X]原=01011；X=-0.1011，则[X]原=11011
●整数原码的定义
例如：
X=+1011，则[X]原=01011;X=-1011,则[X]原=11011
●零的原码表示有“+0”和“-0”之分，故有两形式：
[+0]原=000…000，[-0]原=100…000
2反码表示方法：
符号的表示法与原码相同。
正数的反码与正数的原码形式相同；负数的反码符号位为1，数值部分通过将负数原码的数值部分各位取反（0变1，1变0）得到。
●小数反码的定义
例如：
X=+0.1011，则[X]反=01011；X=-0.1011则[X]反=10100
●整数反码的定义
例如：
X=+1011，则[X]反=01011；X=-1011则[X]反=10100
●零的反码表示有“+0”和“-0”之分，故有两形式：
[+0]反=000…000，[-0]反=111…111
3补码表示法:
正数的补码与原码相同：
负数的补码是反码末位+1（丢弃最高位身上的进位），适合进行数字加减运算的数字编码。
●小数补码的定义
例如：
X=+0.1011，则[X]补=01011；X=-0.1011，则[X]补=10101
●整数的补码定义
例如：
X=+0110，则[X]补=00110；X=-0110，则[X]补=11010
●对于0，在补码情况下只有一种表示形式，即：
[+0]补=[-0]补=000…000
2、计算机组成和中央处理器（CPU）
1计算机组成：
输入设备、输出设备、主存储器、运算器、控制器
2中央处理器：
包括运算器和控制器，即CPU，主要功能有指令控制、操作控制、时间控制和数据加工。
●运算器：
主要功能为完成算术运算和逻辑运算。
组成包括算术/逻辑运算单元（ALU）、寄存组、多路转换器和数据总线。
●控制器：
主要功能为负责控制整个计算机系统的运行，读取指令寄存器、状态控制寄存器以及外部来的控制信号，发布外控制信号控制CPU与存储器、I/O设备进行数据交换；发布内控制信号控制寄存器间的数据交换；控制ALU完成指定的运算功能；管理CPU内部操作。
组成包括程序计数器（PC）指令寄存器、指令译码器、状态条件寄存器、时序产生器、微操作信号发生器。
考点2存储系统
1、
存储器的层次结构
2、主存储器
简称内存或主存，用来存放当前正在使用或随时要使用的数据和程序，CPU可直接访问。
（1）分类
1随机存储器RAM：
也叫读写存储器，内容可改变，在回电时，可随时向存储器中与或读信息，一旦停电，信息全部丢失，可分以下两类。
●静态RAM（SRAM）：
利用触发器的两个稳态来表示所存储的“0”和“1”的，不需要周期性地刷新。
●动态RAM（DRAM）：
用半导体器件中分布电容上有无电荷来表示“1”和“0”。
因为保存在分布电容上的电荷会随着电容器的漏电而逐渐消失，所以需要周期性的给电容充电，称为刷新。
2只读存储器ROM：
所存储的信息由生产厂家在生产时一次性写入，使用时只能读出，不能写入，断电后信息不会丢失。
●EROM：
掩膜型只读存储器，用掩膜技术定稿，常用于存放BIOSt微程序控制。
●PROM：
可编程只读存储器，只能定一次，需要用特殊的电子设备进行写。
●EPROM：
可擦写的可编程只读存储器，可用紫外线照射探险所有信息，可多次写入。
●E2PROM：
电擦写可擦写的可编程只读存储器，可以写多次，但速度慢。
3FlsahMemory：
通过电信号可在数秒钟内快速删除全部信息，但不能进行字节级别删除操作。
（2）性能指标：
●存储容量：
每个内存储单元都有一个地址，对内存的读、写操作都要给出地址来选择具体单元。
在微机系统中内存是以字节作为一个单元的，在不同字长的系统中，一次可以对2个、4个或8个单元访问。
●字存储单元：
存放一个机器字的存储单元相应的单元地址叫字地址。
●字节存储单元：
存放一个字节的单元，相应的地址称为字节地址。
●按字编址的计算机：
可编址的最小单位是字存储单元。
为按字节编址的计算机，可编址的最小单位是字节。
一个字可以包含数个字节，所以一个存储单元也可以包含数个能够单独编址的字节地址。
●存储容量的表示：
用字节（B）来表示，如512KB、10MB。
外存是为了表示更大的存储容量，采用MB、GB、TB等单位。
其中1KB=210B，1MB=220By，1GB=230B，1TB=240B。
一个字节定义为8个填制位，所以计算机中一个字的长通常为8的倍数。
●存取时间：
从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。
●存储周期：
连续启动两次独立的存储器操作所需间隔的最小时间。
通常存储周期略大于存储时间，其时单单位数ns。
（3）组成
由于存储器芯片的容量有限，在字数或字长方面与实际存储器的要求都有很大差距，可以通过字向和位向两个方面进行扩充。
假设一个存储器的容量为M×N位，若使用m×n位的芯片（m≤M，n≤N），此时共需要（M/m）×（N/n）个存储器芯片。
3、相联存储器（CAM）
是一种按内容寻址的存储器。
其工作原理就是把数据或数据的某一部分作为关键字，将该关键字与存储器中的每一单元进行比较，找出存储器中所有与关键字相同的数据
4、Cache
（1）基本原理
Cache即高速缓冲存储器，是为了解决CPU和主存之间速度匹配问题而设置的。
是介于CPU和主存之间的小容量存储器，存取速度比主存快。
（2）性能分析
●命中率：
在Cache中访问到的概率，一般用模拟实验的方法得到。
选择一级有代表性的程序，在程序执行过程中分别统计对Cache的访问次数N1和对内存的访问次数N2，则Cache的命中率为：
H=N1/（N1+N2）
●平均实际存取时间：
可以用Cache和主存的访问周期T1、T2和H来表示：
T=H·T1+（1-H）·T2。
当命中率H→1时，T→T1，即平均实际存取时间T接近于速度比较快的Cache的访问周期T1。
●访问效率：
为e=T1+T
（3）地址映像
●直接映像：
主存按Cache有大小分成区，主存每一个分区内的块数与Cache的总块数正好相等，把主存各个区中相对块号相同的那些块映像到Cache中同一块号的那个确定块中。
●全相联映像：
主存中的任意一块可以映像到Cache中的任意一块中
●组相联映像：
介于全相联和直接相联之间的一种折中方案，是目前在Cachek用得比较多的一种地址映像和变换方式。
（4）替换算法
●随机替换算法RAND：
用随机数发生器产生一个要替换的块号，将该块替换出去。
●先进先出算法FIFO：
问题反最先调入的Cache字块替换出去它不需要随时记录各个字块的使用情况，较容易实现；缺点是经常使用的块，如一个包含循环程序的块也可能由于它是最早的块而被替换掉。
●最近最少使算法LRU：
把当前近期Cache中使用次数最少的那块信息块替换出去，是命中率最高的替换算法。
（5）写操作
●写回法：
CPU在执行写操作时，被写数据只写入Cache，不写入主存。
当需要替换时，才把已经修改过的Cache块写回主存。
●写直达法：
在CPU执行写操作时，必须把数据同时写入Cache和主存。
5、磁盘
（1）磁盘存储原理
写入时由写入电路将经过编码后的“0”和“1”脉冲信号，通过磁头转变为磁化电流，使磁盘上造成相应的磁元，这样将信息记录在磁盘上。
读出时，磁盘上的磁元在磁头上产生感应电流，再经读出电路被还原成“0”和“1”数字信息，送到计算机中，单个碰头在向盘片的磁性涂层上写入数据时，是以串行方式写入的。
（2）磁记录方式
归零制（RZ）：
正向电流表示1，反射电流表示0，但在记录下一个信息之前要恢复到零电流。
不归零制（NRZ）：
碰头线圈上始终有电流，记录方向保持不变，记录1时电流改变方向。
见1就翻的不归零制（NRZ1）：
磁头线圈上始终有电流，记录0时电流方向保持不变，记录时电流改变方向。
调相制（PM）：
每一个周期电流方向都改变一次，电流由负到正代表1，由正到负代表0，常用于磁带机。
调频制（FM）：
在每个存储元交界处电流都要改变方向，写1电流的变化频率是写0电流频率的2倍，常用于单密度磁盘存储器。
改进调频制（MFM）：
在调频制的基础上加上了翻转规则，即连续记录2个或2个以上0时，在位周期的起始位置处电流方向改变一次（翻转一次），常用于双密度磁盘存储器。
（3）磁盘性能和容量计算
1存储密度
●道密度：
沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数，单位为道/英寸。
●位密度：
磁道单位长度上记录的二进制代码数，单位为位/英寸。
●面密度：
位密度和道密度的乘积，单位为位/平方英寸。
2存储容量：
有非格式化容量和格式化容量之分。
●非格式化容量：
磁记录表面可以利用的磁化意会总数，计算公式为：
非格式化容量=最大位密度×最内圈周长×总磁道数
●格式化后容量按照某种特定的记录格式所能存储信息的问题，也就是用户可以真正使用的容量，计算公式为：
格式容量=每面磁道数×每道扇区数×每个扇区字节数×盘面数
3平均存取时间：
从发出读写命令后，磁头从某一起始位置移动至新的记录位置，到开始从盘片表面读出或写入信息所需要的时间。
计算公式为：
平均存取时间=控制延迟+找道时间+旋转延迟+传输延迟
4数据传输率：
在单位时间内向主机传送数据的字节数。
计算公式为：
平均数据传输率=内圈周长×位密度×盘片转速
6、RAID存储器
1RAID0（无冗余和无校验的数据分块）：
具有最高的磁盘空间利用率，易管理，但系统的故障率高，属于非冗余系统
2RAID1（磁盘镜像阵列）：
由磁盘对组成，第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，但磁盘空间利用只有50%。
3RAID2（采用纠错海明码的磁盘阵列）：
采用了海明码纠错技术，用户需增加校验盘来提供单纠错和双纠错功能。
对数据的访问涉及到阵列中的每一个盘。
大量数据传输出时I/O性能较高，但不利于小批量数据传输，实际应用中很少使用。
4RAID3和RAID4（采用奇偶校验码的磁盘阵列）：
把奇偶校验码存入在一个独立的校验盘上。
如果一个盘失效，其盘的数据可以通过对其上的数据进行异或运算得到。
读数据很快，但因为写入数据时要计算校验位，速度较慢。
5RAID5（无独立校验盘时的奇偶校验磁盘阵列）：
各块独立硬盘进行条带化分割，相同的条带区进行奇偶校验（异或运算），校验数据平均分布在每块硬盘上。
以n块硬盘构建的RAID5阵列可以有n-1块硬盘的容量，磁盘空间利用率为（n-1）/n。
这是目前使用比较多的一种阵列。
7、SCSI接口
SCSI是小型计算机系统接口，常用标准如下：
SCSI标准
数据宽
（位）
最多连接设备
（个）
最高数据速率
（Mb/s）
SCSI-I
8
7
5
FastSCSI
16
7
10
FastSCSI-II
16
7
20
FAST/WIDE-SCSI-II
32
7
40
UltraSCSI
8
7
20
WIDEUltraSCSI
16
7
40
Ultra2SCSI
8
15
40
WIDEUltra2SCSI
16
15
80
Ultra160SCSI
16
15
160
Ultra320SCSI
16
15
320
考点3输入输出系统
1、I/O端口的寻址
①独立的I/O寻址方式：
I/O设备的端口地址空间与存储器地址空间是完全分开、相互独立的。
CPU使用分开的控制信号来区分是对存储器寻址不是对I/O寻址。
对I/O设备的管理是使用专门的输入和输出指令来实现数据的传送。
②存储器映像I/O寻址方式：
将外围设备的一个端口作为存储器的一个单元，每一个外设端口占用存储器的一个地址单元，存储器与I/O设备的区别是所占用的地址不同，一般指定I/O端口占用地址线最高位为“1”的地址空间。
对I/O设备的管理，是利用对存储器的存储单元进行操作的指令来实现数据传送的。
CPU确定是对存储器还是对I/O端口进行访问是地址总线的最高位的状态（“1”或“0”），以及读、写控制信号（RD和WD）来实现的。
2、接口的控制方式
①程序查询方式：
CPU通过I/O指令询问指定外设当前的状态，如果外设准备就绪，则进行数据的输入或输出，否则CPU等待，循环查询。
②中断方式：
当出现来自系统外部、机器内部，甚至处理机本身的任何例外时，CPU暂停执行现行程序，转去处理这些事件，等处理完成后再返回继续执行原先的程序。
●中断响应时间：
从某一个中断源发出的中断服务请求到处理机响应并开始执行所用的这一段时间。
●中断处理过程：
CPU收到中断请求信号后，如果CPU的中断允许触发器为1，则在当前指令执行完成后，响应中断；CPU保护好被中断的主程序的断点及现场信息；CPU根据中断类型码从中断向量表中找到对应的中断服务程序的入口地址，并进入中断服务程序；中断服务程序执行完毕后，CPU返回中断点处继续执行刚才被中断的程序。
③DMA（直接存储器存取）方式：
采用一个专门的控制器来控制内存与外设之间的数据交流，无须CPU介入，大大提高了CPU的效率。
工作过程如下：
●向CPU申请DMA传送
●获CPU允许后，DMA控制器接管系统总线的控制权。
●在DMA控制器的控制下，在存储器与外部设备之间直接进行数据传送，在传送过程中不需要中央处理器参与。
开始时需要提供传送数据的起始和数据长度。
●传送结束后，向CPU返回DMA操作完成信号。
④I/O通道介绍如下：
●通道：
又称输入/输出处理器（IOP），目的使CPU摆脱繁重的输入输出负担和共享输入输出接口，多用于大型计算机系统中。
●工作过程如下：
Ø在用户程序中使用访管指令进入管理程序，由CPU通过管理程序组织一个通道程序，并启动通道。
Ø通道处理机执行CPU为它组织的通道程序，完成指定的数据输入输出工作。
Ø通道程序结束后向CPU发中断请求。
CPU响应这个中断请求后，第二次进入操作系统，调用管理程序对输入输出中断请求进行处理。
●通道种类：
字节多路通道、选择通道和数组多路通道。
考点4总线系统
1、总线
总线是指一类信号线的集合，是模块间传输信息的公共通道，通过它，计算机各部件间可进行各种数据和命令的传送。
2、总线的标准
1机械结构规范：
包括模块尺寸、总线插头、总线接插件及机械安装尺寸等。
2功能规范：
包括总线每条信号的名称、功能及操作时序等
3电气规范：
包括总线每条信号线的有效电平、动态转换时间、负载能力等。
3、总线的指标
1总线宽度：
一次可以传输数据的位数，不会超过微处理器外部数据总线的宽度。
2总线工作频率：
总线信号中有一个CLK时钟信号，CLK越高每秒钟传输的数据量越大。
ISA、EISA为8MHz，PCI为33.3MHz，PCI-2为66.6MHz。
3单个数据传输周期：
不同的传输方式，每个数据传输所用的CLK周期数不同。
ISA要用2个周期，PCI用1个周期。
这决定总线最高数据传输率。
4、总线的分类与层次
1系统总线：
是微处理器芯片对外引线信号的延伸或映射，是微处理器与片外存储器及I/O接口传输信息的通路。
系统总线信号按功能可分为以下3类。
●地址总线（Where）：
指出数据的来源与去向；地址总线的位数决定了存储空间的大小。
●数据总线（What）：
提供模块间传输数据的路径，数据总线的位数决定微处理器结构的复杂度及总体性能。
●控制总线（When）：
提供系统操作所必需的控制信号，对操作进程进行控制与定时。
1扩充总线：
亦称设备总线，用于系统I/O扩充。
与系统总线工作频率不同，经接口电路对系统总线信号进行缓冲、变换、隔离，进行不同层次的操作（ISA、EISA、MCA）。
2局部总线：
扩充总线不能满足高性能设备（图形、视频、网络）接口的要求，在系统总线与扩充总线之间插入一层总线（PCI）。
考点5计算机体系结构
1、计算机体系结构的分类
1Flynn分类法：
涉及到3个概念，一是指令流，是指机器指令序列；二是数据流，是指由指令流调用的数据序列；三是多倍性，在系统最受限制的元件上同时处于同一执行阶段的指令或数据的最大可能个数。
类型
组成
特性
典型应用
单指令流单数据流SISD
控制部件：
1个
执行部件：
1个
存储器模块：
1个
计算机每次处理一条指令，并只对一个执行部件分配数据。
单处理系统，一般流水线技术的计算机。
单指令流多数据流SIMD
控制部件：
1个
执行部件：
多个
存储器模块：
多个
每个执行部件以异步方式执行同一条指令。
并行处理机
阵列处理机
超级向量处理机
多指令流单数据流MISD
控制部件：
多个
执行部件：
多个
存储器模块：
多个
被证明不可能。
无
多指令流多数据流MIMD
控制部件：
多个
执行部件：
多个
存储器模块：
多个
能实现指令、任务作业等各级的并行。
多处理机系统。
2冯氏分类法：
利用最大并行度对计算机体系结构进行分类，可分成以下4类：
字串行、位串行（WSBS）。
其中字宽=1，位宽=1
字并行、位串行（WPBS）。
其中字宽>1，位宽=1
字串行、位并行（WSBP）。
其中字宽=1，位宽>1
字并行、位并行（WPBP）。
其中字宽>1，位宽>1
2、指令
1指令格式：
计算机的指令由操作码字段和操作书字段两部分组成。
2指令长度：
有固定长度和可变长度两种。
有些RISC的指令是固定长度的，但目前多数计算机指令是可变长度的。
指令长度通常取8的倍数。
3指令种类：
数据传送指令、算术运算指令、位运算指令、程序流程控制指令、串操作指令、处理器控制指令。
3、寻址方式
1立即寻址：
操作数作为指令的一部分而直接写在指令中，这种数称为立即数。
2寄存器寻址：
指令所要的操作数已存储在某寄存器中，或把目标操作数存入寄存器。
3直接寻址：
指令所要的操作数存放在内存中，在指令中直接给出该操作数的有效地址。
4寄存器间接寻址：
操作数在存储器中，操作数的有效地址用SI、DI、BX和BP等4个寄存器之一来指定。
5寄存器相对寻址：
操作数在存储器中，其有效地址是一个基址寄存器（BX、BP）和一个变址寄存器（SI、DI）的内容和指令中的8位/16位偏移量之和。
6基址加变址寻址方式：
操作存储器中，其有效地址是一个基址寄存器（BX、BP）和、一个变址寄存器（SI、DI）的内容之和。
7相对基址加变址寻址：
操作数在存储器中，其有效地址是一个基址寄存器（BX、BP）的值、一个变址寄存器（SI、DI）的值和指令中的8位/16位偏移量之和。
4、精简指令集计算机RISC
1目的：
指令系统中只有大约20%的最简单指令被经常使用，其使用频度达80%。
若只保留20%的最简单的指令，使指令尽可能简单，从而设计一种硬件结构十分简单、执行速度很高的CPU，这就是精简指令集计算机（RISC）。
2RISC设计思想：
任何一个程序在计算机上的执行时间P可以用下面的公式来计算：
P=I×CPI×T
其中I是程序经编译后的机器指令数，CPI是执行每条指令所需的平均机器周期数，T为每个机器周期的时间。
RISC的设计思路就是通过增加I，减少CPI和T，从而提高计算机的运算速度。
3RISC的特点：
简化了CPU的控制器，同时提高了处理速度，具有如下特点：
●指令各类少，一般只有十几到几十条简单的指令；
●指令长度固定，指令格式少，这可使指令译码更加简单；
●寻址方式少，适合于组合逻辑控制器，便于提高速度；
●设置最少的访问内存指令；
●在CPU内部设置大量的寄存器，使大多数操作在速度很快的CPU内部进行；
●非常适合流水线操作，由于指令简单，并行执行就更容易实现。
5、流水线技术
（1）流水线技术
把CPUr一个操作进一步分解成多个可以单独处理的子操作（如取指令、指令译码、取操作数、执行），使每个子操作在一个专门的硬件站上执行，在执行过程中，前后连续的几个操作可以依次流入流水线中，在各个站间重叠执行。
（2）流水线处理机的主要指标
操作周期：
取决于基本操作时间最长的一个。
高某流水线技术分为n个基本操作，操作时间分别是Δti（i=1,2,…,n），操作周期为：
Δt=max{Δt1，Δt2，…，Δti}
吞吐率：
流水线的吞吐率为：
P=1/Δt=1/max{Δt1，Δt2，…，Δti}
流水线建立时间：
即第一条指令完成时间：
T1=n×Δt=n×max{Δt1，Δt2，…，Δti}
执行m条指令时间：
T=n×Δt+（m-1）×Δt=（n+m-1）×max{Δt1，Δt2，…，Δti}
或
T=
并行处理技术
（1）并行性：
具有可以同时进行运算或操作的特性，有两种含义：
一是同时性，指两个以上事件在同一时刻发生；二是并发性，指两个以上事件在同一时间间隔内发生。
（2）并行性的途径如下：
●时间重叠：
在并行性概念中引入时间因素，让多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠地使用同一套硬件设备和各个部分，回忆硬件周围来赢得速度。
●资源重复：
在并行性概念中引入空间因素，通过重复设置硬件资源来提高可靠性或性能。
●资源共享：
用软件的方法让多个用户，按一定的时间顺序轮流使用同一套资源来提高其利用率，相应提高系统的性能。
（3）多处理机：
共享一个主存储器和所有的外部设备，它属于多指令流多数据流（MIDI）计算机。
●按耦合程度分为：
紧耦合多处理机和松耦合多处理机。
●按处理机间的互联方式分类有4种多处理机结构：
总线结构、交叉开关结构、多端口存储器结构、开关枢纽式结构。
（4）并行处理机：
又称为阵列处理机。
它是在单一控制部件控制下的、由多个处理单元构成的阵列；使用按地址访问的随机存储器（RAM），主要用于大量高速向量或矩阵运算等领域。
●两种基本结构类型：
分布式存储器的多处理机、信口雌黄工共享存储器的多处理机。
●单指令流多数据流（SIMD）计算机：
并行处理机与采用流水单机系统都是单指令流多数据流（SIMD）计算机，区别在于并行处理机采用资源重复技术，流水结构的单机系统则采用时间重叠技术。
考点6系统可靠性基础
1、基本概念
（1）系统可靠性：
从它开始运行（t=0）到某时刻t这段时间内能正常运行的概率，用R（t）表示。
（2）失效率：
单位时间内失效的元件数与元件总数的比例，通常用λ表示。
当λ为常数时，可靠性与失效庇护关系为：
R（t）=e-λt
（3）平均无故障时间（MFBF）：
两次故障之间系统能正常工作的时间的平均值。
它与关系为：
MTBF=1/λ。
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