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2020 上半年希赛网-网络工程师直播课堂纪要(第一章)
【 课 堂 名 称 】
计算机硬件基础
【重点内容】
进制转换和原码、反码、补码
【内容详解】
二、进制转换
通常采用下标的方式来表示一个数的进制,如十进制数 18 表示为:(18)
10
,八进制数
18 表示为:(18)
8
。而如果是十六进制数,通常在数字的后面加大写“H”表示十六进制。二
进制和十进制互转:
11111111=2
7
+2
6
+2
5
+2
4
+2
3
+2
2
+2
1
+2
0
=255
二进制和八进制互转:
将二进制数转换为八进制数,以小数点为分界线,分别从右到左(整数部分)和从左
到右(小数部分),将每 3 位二进制数转换为八进制数即可,最后不足 3 位的,则在最高位
补 0(整数部分)或最低位补 0(小数部分)。
二进制和十六进制互转:
将二进制数转换为十六进制数,以小数点为分界线,分别从右到左(整数部分)和从
左到右(小数部分),将每 4 位二进制数转换为十六进制数即可,最后不足 4 位的,则在最
高位补 0(整数部分)或最低位补 0(小数部分)。
三、原码、反码和补码
原码表示法是在数值前面增加了一位符号位(即最高位为符号位),该位为 0 时表示正
数,为 1 时则表示负数,其余各位表示数值的大小。
反码表示法和原码表示法一样是在数值前面增加了一位符号位(即最高位为符号位),
正数的反码与原码相同,负数的反码符号位为 1,其余各位为该数绝对值的原码按位取
反。
补码表示法和原码表示法一样是在数值前面增加了一位符号位(即最高位为符号位),
正数的补码与原码相同,负数的补码是该数的反码加 1,这个加 1 就是“补”。
要看编码代表什么数,一律转原码去计算。
其中负数补码转原码:符号位保留,其余各位取反+1。
移码就是在原有的补码的基础上对于符号取反。
三种编码
表示数的
范围:
定点整数 定点小数
原码
(2
n
1
1)~2
n
1
1
1<X<1
反码
(2
n
1
1)~2
n
1
1
1<X<1
补码
2
n1
~2
n1
1
1≤X<1
注意补码定点小数范围精确的表示范围应该是:-1~1-2
-
(
N
-1
)
原码和反码都是-(1-2
-
(
N-1
)
)~1-2
-
(
N-1
)
四、计算机组成
在一台计算机中,硬件部分主要由输入系统、输出系统、运算器、控制器和存储器组
成。
运算器通常是由 ALU、累加寄存器 AC、数据缓冲寄存器和状态条件寄存器等组成。
其中累加寄存器暂时存放 ALU 运算的结果信息。
控制器的组成包含程序计数器(PC)、指令寄存器(IR)、指令译码器、时序部件等。
其中程序计数器存放是下一条指令的地址。
总线就是用来传送信息的一组通信线。是电脑中传输数据的公共通道。数据总线 DB
用于传送数据信息。地址总线 AB 是专门用来传送地址的,地址总线的位数决定了 CPU 可
直接寻址的内存空间大小。一般来说,若地址总线为 n 位,则可寻址空间为 2
n
字节。
控制总线 CB 用来传送控制信号和时序信号。
五、指令系统
指令系统中采用不同寻址方式的目的是扩大寻址空间并提高编程灵活性。常见的寻址
方式有:
(1) 立即寻址方式:通常直接在指令的地址码部分给出操作数。
(2) 内存寻址
直接寻址方式:在指令中直接给出参加运算的操作数或运算结果所存放的主存地址
间接寻址方式:在指令中给出操作数地址的地址
变址寻址方式变址寻址就是变址寄存器中的内容加地址码中的内容即可完成寻址。
(3) 寄存器寻址
寄存器直接寻址:指令在执行过程中所需要的操作数来源于寄存器,
寄存器间接寻址:存放的是操作数在主存的地址
六 、 CISC 和 RISC
七、流水线的计算 T=第一条指令执
行所需时间+(指令条数-1)×流水线周期技术指标:
吞吐率:指的是计算机中的流水线在特定的时间内可以处理的任务数量。
因为 TP=n/T 其中 n:任务数 T:处理 N 个任务所需要的时间。其中最大吞吐率是 1/流
水线周期。
加速比:完成同样一批任务,不使用流水线所花的时间和使用流水线所用的时间之
比。S=Ts/Tk
八、存储系统
计算机的主存储器不能同时满足存取速度快、存储容量大和成本低的要求,在计算机
中必须有速度由慢到快、容量由小到大的多级层次存储器,以最优的控制调度算法和合理
的成本,构成存储系统。离 CPU 越近的存储器,速度越快,每字节的成本越高,同时容量
也因此越小。
主存编址方式有多种,比如主存按字节编址,地址从 A4000H 到 CBFFFH,则表示有
(A4000-CBFFF)+1 个字节,即 28000H 个字节,(0010 1000 0000 0000 0000)B=
(0010 1000 00)KB=128+32=160KB。
九、RAID
RAID 是由多个独立的高性能磁盘驱动器组成的磁盘子系统,从而提供比单个磁盘更高
的存储性能和数据冗余的技术。
RAID 机制中共分 8 个级别,RAID 应用的主要技术有分块技术、交叉技术和重聚技
术。考试当中常考的有:
RAID 0:RAID 0 连续以位或字节为单位分割数据,并行读/写于多个磁盘上,因此具
有很高的数据传输率,但它没有数据冗余。RAID0 至少要用到 2 块磁盘,磁盘利用率是
100%。
RAID 1:它是通过磁盘数据镜像实现数据冗余,在成对的独立磁盘上产生互为备份的
数据。磁盘利用率是 50%。
RAID 3:类似于 RAID2,数据以位存储于不同的硬盘,只是 RAID3 使用单块磁盘存
储简单的奇偶校验信息。磁盘利用率是(N-1)/N。N 至少为 3。
RAID 5 不单独指定的奇偶盘,而是在所有磁盘上交叉地存取数据及奇偶校验信息。
RAID5 磁盘利用率是(N-1)/N。N 至少为 3。
与 RAID 5 相比,RAID 6 增加了第二个独立的奇偶校验信息块。两个独立的奇偶系统
使用不同的算法,数据的可靠性非常高,即使两块磁盘同时失效也不会影响数据的使用。
因此,RAID 6 要求至少 4 块硬盘。RAID 6 磁盘利用率是(N-2)/N。
RAID 10 先镜像,再条带化,磁盘利用率为 50。企业常用常用的 RAID 技术有 RAID
5、RAID 10。
从数据重构和数据安全保护方面:RAID 10 好于 RAID 5,从 I/O 性能看,RAID 10 好
于 RAID 5。从空间利用率:RAID 5 好于 RAID 10
R
R
R
输入
输出
Rn
R2
R1
运行态
选中
落选
出现等待事件
就绪态
等待态
RAID2.0 能做到快速重构:存储池内所有硬盘参与重构,相对于传统 RAID 重构速度
大幅提升;
十、可靠性计算
假设同一型号的 1000 台通信设备,在规定的条件下工作 1000 小时,其中有 10 台出现
故障。这种通信设备千小时的可靠度 R 为(1000-10)/1000=0.99。失效率为 10/(1000*1000)=1
*10
-5
。因为平均无故障时间与失效率的关系为 MTTF=1/λ,因此,平均无故障时间 MTTF=1
0
5
小时。
串联系统
假设一个系统由 n 个子系统组成,当且仅当所有的子系统都能正常工作时,系统才能
正常工作,这种系统称为串联系统,如图所示。
...
输入 输出
设系统各个子系统的可靠性分别用 R1,R2,…,Rn 表示,则系统的可靠性 R
R1
R2
…
Rn。
如果系统的各个子系统的失效率分别用 λ1,λ2,…,λn 来表示,则系统的失效率 λ
λ1
λ2
…
λn。
并联系统
假如一个系统由 n 个子系统组成,只要有一个子系统能够正常工作,系统就能正常工
作,如图所示。
...
设系统各个子系统的可靠性分别用 R1,R2,…,Rn 表示,则系统的可靠性:R
1
(1
R1)
(1
R2)
…
(1
Rn)。
【课堂名称】
操作系统
【重点内容】
进程管理、存储管理、设备管理
二、进程管理
1、三态模型
等待事件结束
进程三态模型及其状态转换
2、死锁
死锁是指多个进程之间互相等待对方的资源,而在得到对方资源之前又不释放自己的
121256
P1
R3R2R1R3R2R1
已分配资源数最大需求量
进程
资源
资源,这样,造成循环等待的一种现象。
系统中有 N 个并发进程,若规定每个进程需要申请 R 个某类资源,则当系统提供
K=N* (R-1)+1 个同类资源时,无论采用何种方式申请使用,一定不会发生死锁。
3、资源分配涉及的银行家算法:
所谓银行家算法,是指在分配资源之前,先看清楚,如果资源分配下去后,是否会导
致系统死锁。如果会死锁,则不分配,否则就分配。
假设系统中有三类互斥资源 R1、R2 和 R3,可用资源数分别是 9、8 和 5。在 T0 时刻
系统中有 P1、P2、P3、P4 和 P5 五个进程,这些进程对资源的最大需求量和已分配资源数
如表 3-5 所示。
表 3-5 进程对资源的最大需求量和已分配资源数
P2
2 2 1 2 1 1
P3
8 0 1 2 1 0
P4
1 2 1 1 2 0
P5
3 4 4 1 1 3
进程按照 P1P2P4P5P3 序列执行,系统状态安全吗?如果按 P2P4
P5P1P3 的序列呢?
在这个例子中,我们先看一下未分配的资源还有哪些?很明显,还有 2 个 R1 未分
配,1 个 R2 未分配,而 R3 全部分配完毕。
按照 P1P2P4P5P3 的顺序执行时,首先执行 P1,这时由于其 R1、R2 和 R3 的资源数
都未分配够,因而开始申请资源,得到还未分配的 2 个 R1、1 个 R2。但其资源仍不足(没
有 R3 资源),从而进入阻塞状态,并且这时所有资源都已经分配完毕。因此,后续的进
程都无法得到能够完成任务的资源,全部进入阻塞状态,形成死循环,死锁发生
了。
而如果按照 P2P4P5P1P3 的序列执行时:
1) 首先执行 P2,它还差 1 个 R2 资源,系统中还有 1 个未分配的 R2,因此满足其要求,
能够顺利结束进程,释放出 2 个 R1、2 个 R2、1 个 R3。这时,未分配的资源就是:4 个 R
1、2 个 R2、1 个 R3。
2) 然后执行 P4,它还差一个 R3,而系统中刚好有一个未分配的 R3,因此满足其要
求,也能够顺利结束,并释放出其资源。因此,这时系统就有 5 个 R1、4 个 R2、1 个 R3
……
根据这样的方式推下去,会发现按这种序列可以顺利地完成所有的进程,而不会出现
死锁现象。
4、PV 操作:解决互斥和同步的问题。PV 操作是分开来看的:
P 操作:使 S=S-1,若 S>=0,则该进程继续执行,否则该进程排入等待队列。
V 操作:使 S=S+1,若 S<=0,唤醒等待队列中的一个进程。
这部分内容比较复杂,请结合我们的课程内容复习理解。
某企业生产流水线 M 共有两位生产者,生产者甲不断地将其工序上加工的半成品放入半
成品箱,生产者乙从半成品箱取出继续加工。假设半成品箱可存放 n 件半成品,采用 PV 操作
实现生产者甲和生产者乙的同步可以设置三个信号量 S、S1 和 S2,其同步模型如下图所
示。
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