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2.2 计算机硬件

2.2.2 处理器

冯诺依曼架构VS哈弗架构

• 冯・诺依曼：指令、数据共用同一条总线、同一个存储器；

• 哈佛结构：指令存储器、数据存储器相互独立，两套总线，可以同时取指令 + 读写数据。代表：MCU、DSP

指令集

• 复杂指令集 CISC 代表：Intel、AMD X86
• 简单指令集 RISC 代表：ARM

常见处理器分类

CPU组成

运算器

• 算术逻辑单元ALU：数据的算术运算和逻辑运算
• 累加寄存器AC：通用寄存器，为ALU提供一个工作区暂存数据
• 数据缓冲寄存器DR：写内存时暂存指令或数据‘
• 状态条件寄存器PSW：存状态标志与控制标志

控制器

• 程序计数器PC：存储下一条要执行指令的地址
• 指令寄存器IR：存储即将执行的指令
• 指令译码器ID：对指令中的操作码字段进行分析解释
• 时序部件：提供时序控制信号

2.2.3 存储器

存储器分类

存储器硬件结构分类

按照硬件结构分为：SRAM、DRAM、NVRAM、Flash、EPROM、Disk。

Flash 是按块擦除；EEPROM 是字节擦写（这是 EEPROM 和 Flash 最大区别）

存储器分层分类

存储器按照与处理的物理距离可以分为4个层次：片上缓存、片外缓存、主存（内存）、外存

存储器访问机制分类

Cache

• 时间局部性：同一个指令短期再次执行

• 空间局部性：相邻存储单元被同一时间访问

• 工作集理论：进程运行时被频繁访问的页面集合

平均周期 = cache命中率 * cache周期时间 + (1-cache命中率) * 内存周期时间

cache对程序员时透明的，由硬件控制

内存

栈和堆

DMA

DMA：不经过 CPU，直接在内存与外设之间搬运数据，CPU 只负责初始化，传输过程 CPU 可以并行做别的任务。

两种传输场景

1. 外设 ↔ 内存（最常用，例如 ADC 采集数据进内存、串口接收数据存入内存）
2. 内存 ↔ 内存（内存块之间拷贝，部分 DMA 支持）

DMA 优点

1. 减轻 CPU 负担：数据搬运不用 CPU 逐字节读写，CPU 可并行执行其他程序
2. 传输速度快：省去 CPU 取指、拷贝、保存现场开销
3. 适合大批量连续数据传输

磁盘

磁盘的基本原理

• 磁道 Track：一圈一圈同心圆
• 扇区 Sector：磁道切分的圆弧段，硬件最小读写单元
• 0 号磁道：最外圈
• 所有磁头固定在同一组磁头臂，同步径向移动，只能同时定位到同一个半径，形成柱面。
• 存取时间=寻道时间+等待时间+传输时间*
  • 寻道时间：磁头移动到磁道的时间，径向移动的时间
  • 等待时间：等待读写的扇区转到磁头下方的时间，圆弧移动的时间

磁盘存取时间与优化存储分布

单缓冲区时扇区数据被读入缓冲区后，缓冲区数据还没有完全处理结束，可能需要等待磁盘重新旋转一周才能读到下一个数据块

磁盘块偏移计算公式

• 逻辑字节长度：S

• 磁盘块大小：B

• 每条逻辑记录长度：L

• 每组记录数（一块能存几条记录）：G
  (G=⌊BL⌋) (G = \lfloor \dfrac{B}{L} \rfloor)(G=⌊LB​⌋)

• 逻辑记录所在磁盘块为：S / B

• 逻辑记录所在磁盘块内偏移： （R mod G）

磁盘阵列RAID技术

RAID（独立磁盘冗余阵列，Redundant Array of Independent Disks）

软考常考：把多块物理磁盘组合成一个逻辑磁盘，目标：提升 IO 性能、提供磁盘故障冗余；RAID ≠ 备份！RAID 只能防单块硬盘损坏，不能防误删、病毒、火灾；重要数据仍然需要单独备份。

硬 RAID vs 软 RAID

1. 硬 RAID：独立 RAID 卡（带处理器 + 缓存）完成计算；操作系统只看到 1 块逻辑盘；不占用主机 CPU；性能稳定，支持断电保护；成本高。
2. 软 RAID：操作系统内核（Linux mdadm、Windows 存储池）实现；校验计算消耗主机 CPU；不需要阵列卡；迁移灵活；性能差，系统崩溃容易丢阵列。
3. FakeRAID（主板 RAID）：主板 BIOS 里的 RAID，本质还是靠 CPU 运算，属于伪硬 RAID。

软考必背要点

1. RAID0：无冗余，速度最快；一块盘坏，数据全部丢失。
2. RAID1：镜像，容量减半，允许坏一块。
3. RAID5：分布式奇偶校验，至少 3 块盘；允许坏一块，校验分散在所有磁盘，不是单独校验盘（区别 RAID3）。
4. RAID6：双校验，最多坏两块。
5. RAID10：至少 4 块盘，兼顾性能与冗余，数据库优选。

磁盘移臂调度算法

FCFS 先来先服务

• 规则：按 I/O 请求到达顺序依次访问，不考虑磁头当前位置
• ✅优点：简单，无饥饿
• ❌缺点：磁头来回大幅度跳动，平均寻道距离大，性能差
• 软考关键词：公平、顺序执行、无优化

SSTF 最短寻道时间优先

Shortest Seek Time First

• 规则：每次选离当前磁头最近的磁道请求
• ✅优点：平均寻道距离短，性能好
• ❌缺点：会饥饿（持续有近距离请求到来，远端请求永远得不到服务）
• 类比：短作业优先 SJF；软考选择题最爱考饥饿问题

SCAN 扫描算法（电梯算法）

• 规则：磁头沿一个方向移动，沿途处理所有请求；到达磁盘最顶端 / 底端边界，反向折返，继续处理沿途请求
• ✅优点：无饥饿，比 SSTF 公平
• ❌缺点：到达磁盘物理边界才掉头；两端磁道请求等待时间更长
• 类比：电梯，一路向上到顶楼，再下来

LOOK 算法（SCAN 改进版）

• 规则：不用走到磁盘物理边界，沿当前方向走到这条方向上最后一个请求，立刻掉头，不走到盘片尽头
• ✅优点：相比 SCAN，减少无用移动，寻道距离更短

软考提示：题目没有特别说明边界，SCAN 和 LOOK 经常区分考核

C-SCAN 循环扫描

Circular SCAN

• 规则：磁头只单向处理请求；走到磁盘边界，直接跳回磁盘起始端，返程途中不处理任何请求，再继续单向扫描
• ✅优点：所有磁道请求等待时间更均匀，消除 SCAN 两端等待时间差异
• ❌缺点：跳回起点有寻道开销

C-LOOK 循环 LOOK（C-SCAN 改进）

• 规则：单向处理请求；走到当前方向最后一个请求，直接跳跃到另一端第一个待处理请求，不走到磁盘物理边界，返程不服务请求
• ✅优点：C-SCAN 的优化，去掉走到磁盘边界的无效移动，性能最优

2.2.4 总线

串行总线与并行总线

• 串行：USB、SATA、PCIe、RapidIO、SPI、I2C、CAN、UART、以太网
• 并行：PCI、ISA、IDE(PATA、ATA)

内部总线与外部总线

流水线技术

• 流水线周期：执行时间最长的一段

• 流水线执行时间计算公式：

  • 理论公式：(t1+t2+…+tn) + (n-1)*t
  • 实际公式：k*t + (n - 1) * t，k为命令数，如取值、分析、执行三个命令则k=3

• 流水线吞吐率：单位时间内完成的任务数
  TP=指令条数流水线执行时间 TP = \dfrac{指令条数}{流水线执行时间}TP=流水线执行时间指令条数​

• 流水线最大吞吐率
  TPmax=lim⁡n→∞nkt+(n−1)t=1t TP_{max} = \lim_{n \to \infty}\frac{n}{kt + (n-1)t}=\frac{1}{t}TPmax​=n→∞lim​kt+(n−1)tn​=t1​

• 流水线加速比
  S=不使用流水线执行时间使用流水线执行时间 S = \frac{不使用流水线执行时间}{使用流水线执行时间}S=使用流水线执行时间不使用流水线执行时间​

• 流水线的制约关系以及信号量控制

  流水线分为直接制约与间接制约

  • 直接制约：一个操作中多个步骤之间的制约关系，如，取址、分析、执行三个之间是直接制约关系
  • 间接制约：指多个操作之间相同步骤的制约关系，如操作1的取址和操作2的取址存在间接制约关系