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程序员程序员考试考前串讲第2章计算机硬件基础从历次考试试题来看，计算机硬件知识是程序员考试的一个重点，占上午考试的15%左右。2.1考点分析本节把历次考试中计算机硬件基础方面的试题进行汇总，得出本章的考点，如表2-1所示。表2-1计算机硬件基础试题知识点分布根据表2-1,我们可以得出计算机硬件基础的考点主要有以下6个方面：（1）计算机组成：包括计算机的基本组成、总线和接口、流水线等。（2）数据运算：包括数据的表示（补码、ASCII码、奇偶校验码、海明码、汉字的内码）、算术移位、逻辑移位、逻辑运算。（3）指令系统：包括指令的执行过程、寻址方式、堆栈。程序员（4）存储体系：包括内存及编址、内存容量、磁盘等待时间。（5）中断与DMA:主要考查中断和DMA.（6）性能评估：主要考查系统可靠性、容错、时钟频率、机器周期、指令周期等。对这些知识点进行归类，按照重要程度进行排列，如表2-2所示，其中的五角星号（*）代表知识点的重要程度，星号越多，表示越重要。表2-2计算机硬件基础各知识点重要程度在本章的后续内容中，我们将对这些知识点依次进行讲解。2.2计算机组成本知识点主要考查计算机组成各部件、USB、总线。2.2.1计算机组成部件在一台计算机中，主要有6种部件，分别是控制器、运算器、内存储器、外存储器、输入设备和输出设备，它们之间的合作关系如图2-1所示。程序员图2-1计算机各功能部件之间的合作关系（1）控制器（Controlunit）：是分析和执行指令的部件，也是统一指挥并控制计算机各部件协调工作的中心部件，所依据的是机器指令。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、微操作控制信号形成部件（PSW）和中断机构。根据产生微操作控制信号的方式不同，控制器可以分为组合逻辑型、存储逻辑型、组合逻辑与存储逻辑结合型3种。其中存储逻辑型也称为微程序控制型，增加了控制存储器，用来存放控制机器指令执行的微程序。（2）运算器：也叫做算术逻辑单元（ArithmeticandLogicUnit,ALU），对数据进行算术运算和逻辑运算。通常由ALU（算术/逻辑单元，包括累加器、加法器等）、通用寄存器（不包含地址寄存器）、多路转换器、数据总线组成。定点运算器的内部总线有三种形式，分别是单总线、双总线以及三总线。对于单总线而言，至少需要设置两个暂存器；对于双总线而言，在两个输入和一个输出上至少要设置一个暂存器；而对于三总线而言，在两个输入和一个输出上无须设置暂存器。（3）内存储器（Memory或Primarystorage,简称内存或主存）：存储现场操作的信程序员息与中间结果，包括机器指令和数据。（4）外存储器（Secondarystorage或Permanentstorage,简称外存或辅存）：存储需要长期保存的各种信息。（5）输入设备（Inputdevices）：接收外界向计算机输入的信息。（6）输出设备（Outputdevices）：将计算机中的信息向外界输送。现在的控制器和运算器是被制造在同一块超大规模集成电路中，统称为中央处理器，即CPU（CentralProcessingUnit）。2.2.2总线和接口总线就是一组进行互连和传输信息（指令、数据和地址）的信号线，它好比连接计算机系统各个部件之间的桥梁。另外，我们广义上通常也把AGP接口、USB接口等也称为AGP总线、USB总线。可以说总线在计算机中无处不在。1.总线的分类按总线相对于CPU或其他芯片的位置可分为内部总线（InternalBus）和外部总线（ExternalBus）两种。在CPU内部，寄存器之间和算术逻辑部件ALU与控制部件之间传输数据所用的总线称为内部总线；而外部总线，是指CPU与内存RAM、ROM和输入/输出设备接口之间进行通信的通路。由于CPU通过总线实现程序取指令、内存/外设的数据交换，在CPU与外设一定的情况下，总线速度是制约计算机整体性能的最大因素。按总线功能来划分又可分为地址总线、数据总线、控制总线三类。我们通常所说的总线都包括上述三个组成部分，地址总线用来传送地址信息，数据总线用来传送数据信息，控制总线用来传送各种控制信号。例如ISA总线共有98条线；其中数据线有16条，地址线24条，其余为控制信号线、接地线和电源线。程序员按总线在微机系统中的位置可分为机内总线和机外总线（PeripheralBus）两种。我们上面所说的总线都是机内总线，而机外总线是指与外部设备接口相连的，实际上是一种外设的接口标准。如目前计算机上流行的接口标准IDE、SCSI、USB和IEEE1394等，前两种主要是与硬盘、光驱等IDE设备接口相连，后面两种新型外部总线可以用来连接多种外部设备。计算机的总线按其功用来划分主要有局部总线、系统总线、通信总线三种类型。其中局部总线是在传统的ISA总线和CPU总线之间增加的一级总线或管理层，它的出现是由于计算机软硬件功能的不断发展，系统原有的ISA/EISA等已远远不能适应系统高传输能力的要求，而成为整个系统的主要瓶颈。系统总线是计算机系统内部各部件（插板）之间进行连接和传输信息的一组信号线，例如ISA、EISA、MCA、VESA、PCI、AGP等。通信总线是系统之间或微机系统与设备之间进行通信的一组信号线。2.总线标准总线标准是指计算机部件各生产厂家都需要遵守的系统总线要求，从而使不同厂家生产的部件能够互换。总线标准主要规定总线的机械结构规范、功能结构规范和电气规范。总线标准可以分为正式标准和工业标准，其中正式标准是由IEEE等国际组织正式确定和承认的标准，工业标准是首先由某一厂家提出，得到其他厂家广泛使用的标准。3.接口的分类根据外部设备与I/O模块交换数据的方式，系统接口可以分为串行和并行接口两种。串行接口一次只能传送1位信息，而并行接口一次就可传送多位信息（一般为8的倍数）。串行通信又可分为异步通信方式和同步通信方式两种。并行接口数据传输率高，控制简单，通常用于高速数据通道接口；但是所需连线很多，不适于远距离传送。串行通信连线少，适程序员于长距离传送；但是控制复杂而且传输速度较慢。4.常见接口常见的设备接口有以下几种：（1）ST506.主要用于温盘，结构简单，只完成磁盘信息的读写放大，把数据的编码解码、数据的格式转换等功能都留给I/O模块处理。其传输速率为5Mbps~7Mbps,最多可支持2个硬盘，最大支持盘空间为150MB.（2）ESDI.一种通用的标准接口，不仅适用于小型温盘，还适用于磁带机和光盘存储器。该接口除了完成信息的读写放大外，还要完成数据的编码解码。数据传输率5Mbps~10Mbps,最多可支持4个硬盘，硬盘空间最大可达600MB.（3）IDE.IDE是最常用的磁盘接口，分为普通IDE和增强型IDE（EIDE）接口。普通IDE数据传输率不超过1.5Mbps,数据传输宽度为8位，最多可连接4个IDE设备，每个IDE硬盘容量不超过528MB.EIDE的传输率有UDMA-33、UDMA-66、UDMA-133三种，数据传输率可达12Mbps~18Mbps,数据传输宽度32位，最多可连接4个IDE设备，每个IDE硬盘可超过528MB.（4）SCSI.数据宽度为8位、16位和32位，是大容量存储设备、音频设备和CD-ROM驱动器的一种标准。SCSI接口通常被看做是一种总线，可用于连接多个外设，这些SCSI设备以雏菊链（Modedaisychain）形式接入，并被分配给唯一的ID号（0~7），其中7号分配给SCSI控制器。某些SCSI控制器可以提供多达35个SCSI通道。SCSI设备彼此独立运作，相互之间可以交换数据，也可以和主机进行交互。数据以分组消息的形式进行传输。最初的SCSI标准（目前又称为SCSII）的最大同步传输速率为5Mbps,后来的SCSIII规定了2种提高速度的选择。一种为提高数据传输的频率，即FastSCSI,由于频率提高了一倍，程序员即使数据通路仍和SCSII同为8位宽，其最大同步传输速率也提高了一倍，达10Mbps.另一种提高速度的选择是传输频率提高一倍的同时也增大数据通路的宽度，由8位增至16位，这就是WideSCSI,其最大同步传输速率为20Mbps.（5）PCMCIA.PCMCIA是一种广泛用于笔记本电脑的接口标准，体积小，扩展较方便灵活。最初PCMCIA主要用于笔记本电脑扩展内存，目前常用作一种存储器卡接口或进行传真、调制解调器功能扩展接口。现在用PCMCIA代表个人计算机储器卡国际协会，而PCMCIA接口更名为PCCard接口。PCCard接口具有以下特点：电源管理服务，允许系统控制PCCard的工作状态（开/关），支持3.3V/5V电压，可降低功耗，支持多功能卡、扩充卡的信息结构，以提高其兼容性，规定了直接内存访问规范，增加了一个32位的CardBus接口。（6）P1394.P1394是一种高速的串行总线，用以连接众多的外部设备。P1394有许多优于SCSI等其他外设接口的特点：数据传输率高、价格低且容易实现，所以不仅应用于计算机系统中，也广泛用于消费类电子产品，诸如数码相机、VCD等。P1394的数据速度可达400Mbps,新的标准是800Mbps.P1394接口使用雏菊链式的设备连接方式，一个端口可以支持63个设备；而且使用桥互联的方式，以树型结构配置，可以支持的设备数高达1022.P1394支持设备的热插拔，即允许计算机在未关机带电的情况下插入或拔除所连接的外部设备而不会造成损害。（7）USB.USB接口是一种串行总线式的接口，在串行接口中可达到较高的数据传输率，并且也允许设备以雏菊链形式接入，最多可连接127个设备。USB的最大特点是允许热插拔，目前在便携式计算机和台式计算机中已成为标准配置。许多数码相机、闪存、视频摄像头以及打印机等都可通过USB口接入计算机。USB1.0的速度是1.2Mbps,USB2.0的速度程序员达到了480Mbps.2.2.3流水线流水线技术是通过并行硬件来提高系统性能的常用方法，它其实是一种任务分解的技术，把一件任务分解为若干顺序执行的子任务，不同的子任务由不同的执行机构来负责执行，而这些执行机构可以同时并行工作。在流水线这个知识点，主要考查流水线的概念、性能，以及有关参数的计算。1.参数计算假定有某种类型的任务，共可分成n个子任务，每个子任务需要时间t,则完成该任务所需的时间即为n?t.若以传统的方式，则完成k个任务所需的时间是knt;而使用流水线技术执行，则花费的时间是（n+k-1）×t.也就是说，除了第一个任务需要完整的时间外，其他都通过并行，节省了大量的时间，只需一个子任务的单位时间就够了。另外要注意的是，如果每个子任务所需的时间不同，则其速度取决于其执行顺序中最慢的那个（也就是流水线周期值等于最慢的那个指令周期），要根据实际情况进行调整。例如：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1ns.那么，最长的是2ns.要注意的是，在设计流水线的周期时，是以执行时间最长的那一个部分为标准的。因此100条指令全部执行完毕需要的时间就是：（2+2+1）+（100-1）×2=203ns.另外，还应该掌握几个关键的术语：流水线的吞吐