网络工程师考试考点突破案例分析实战练习一本通

网络工程师网络工程师考试考点突破、案例分析、实战练习一本通第1章计算机硬件基础根据对历年的考试真题进行分析，本章主要考查以下知识点：（1）流水线：包括流水线的工作原理，计算流水线的指令执行所需的时间，破坏流水线的执行因素等。（2）存储器：包括储器的存取方式、性能等特征，存储器的种类、组成与地址编码、Cache基本知识、磁盘及SCSI、RAID等知识点。其中，Cache知识、磁盘的相关计算、各种性能指标的计算是常出现的题型。（3）计算机结构：包括主要包括计算机体系结构与组成结构、CPU特性、指令系统以及并行技术等方面的知识。1.1考点突破从历年的考试情况来看，本章主要考查考生对计算机结构的理解，以及对流水线和存储器的计算掌握情况。1.1.1流水线技术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。其工作原理如图1-2所示。网络工程师图1-2流水线工作原理示意图1.计算执行时间假定有某种类型的任务，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为Nt.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，花费的时间是Nt+（k-1）t.也就是说，除了第一个任务需要完整的时间外，其他都通过并行技术节省下了大量的时间，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一个（也就是流水线周期值等于最慢的那个指令的周期），要根据实际的情况进行调整。例如，若指令流水线把一条指令分为取指令、分析和执行三部分，且三部分的时间分别是取指令2ns,分析2ns,执行1ns.那么，最长的是2ns,因此100条指令全部执行完毕所需要的时间就是（2ns+2ns+1ns）+（100-1）2ns=203ns.另外，还应该掌握几个关键的术语：流水线的吞吐率（任务数/完成时间），加速比（不采用流水线的执行时间/采用流水线的执行时间）。2.影响流水线的主要因素如图1-2所示，流水线的关键在于重叠执行,因此如果这个条件不能够满足，流水线就会被破坏。这种破坏主要来自如下几种情况。转移指令：因为前面的转移指令还没有完成，流水线无法确定下一条指令的地址，因此也就无法向流水线中添加这条指令。从这里的分析可以看出，无条件跳转指令是不会影响流水线的。共享资源访问的冲突：也就是后一条指令需要使用的数据，与前一条指令发生的冲突，或者相邻的指令使用了相同的寄存器，这也会使得流水线失败。网络工程师响应中断：当有中断请求时，流水线也会停止。对于这种情况有两种响应方式：一种是立即停止--精确断点法，这种方法能够立即响应中断；另一种是流水线中的指令继续执行，不再新增指令到流水线--不精确断点法。1.1.2存储器系统存储器系统是计算机系统中的非常重要的一个部分，网工考试对这个知识点考查的内容较多，因此考生必须掌握好以下基础理论知识。1.存储器系统特征（1）存储器的存取方式系统存储器的基本存取方式如表1-3所示。表1-3存储器的存取方式（2）存储器的性能存取时间：对于随机存取而言，就是完成一次读/写所花的时间；对非随机存取而言，就是将读写装置移动到目的位置所花的时间。存储器带宽：每秒钟能访问的位数。通常存储器周期是纳秒级（ns,即10-9秒）的，因此通常情况下的计算公式是：1/存储器周期？每周期可访问的字节数。例如：存储器周期是200ns,而每个周期可访问4字节，则带宽=1s/200ns（4字节？8）=160Mb/s.数据传输率：每秒钟输入/输出的数据位数。对于随机存取而言，传输率R=1/存储器网络工程师周期；对于非随机存取而言，读写N位所需的平均时间=平均存取时间+N位/数据传输率。2.主存储器基础（1）主存储器的种类RAM:随机存储器，可读写，断电后数据无法保存，只能暂存数据。SRAM:静态随机存储器，在不断电时信息能够一直保持。DRAM:动态随机存储器，需要定时刷新以维持信息不丢失。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。PROM:可编程ROM,只能够一次写入，需用特殊电子设备进行写入。EPROM:可擦除的PROM,用紫外线照射15~20分钟可擦去所有信息，可写入多次。E2PROM:电可擦除EPROM,可以写入，但速度慢。闪速存储器：现在U盘使用的种类，可以快速写入。记忆时，抓住几个关键英文字母。A,即Access,说明读写都行；O,即Only,说明只读；P,即Programmable,说明可通过特殊电子设备写入；E,即Erasable,说明可擦写；E平方说明是两个E,第二个E是指电子。（2）主存储器的组成实际的存储器总是由一片或多片存储器配以控制电路构成的。其容量为WB,W是存储单元（word,即字）的数量，B表示每个word由多少bit（位）组成。如果某一芯片规格为wb,则组成WB的存储器需要用（W/w）？（B/b）个芯片。网络工程师图1-3主存储器的组成示意图（3）主存储器的地址编码主存储器（内存）采用的是随机存取方式，需对每个数据块进行编码，而在主存储器中，数据块是以word为单位来标识的，即每个字一个地址，通常采用的是16进制表示。例如，按字节编址，地址从A4000H~CBFFFH,则表示有（CBFFF-A4000）+1个字节，即28000H个字节，也就是163840个字节，等于160KB.要注意的是，编址的基础可以是字节，也可以是字（字是由1个或多个字节组成的），要算地址位数，首先应计算要编址的字或字节数，然后求2的对数即可得到。3.Cache由于在CPU与存储系统之间存在着数据传送带宽的限制，因此在其中设置了Cache（高速缓冲存储器，简称高速缓存，通常速度比内存快），以提高整体效率。但由于其成本更高，因此Cache的容量要比内存小得多。由于Cache为高速缓存，存储了频繁访问内存中的数据，因此它与Cache单元地址转换的工作需要稳定而且高速的硬件来完成。（1）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。通俗地说，就是一段时间内，执行的语句常集中于某个局部。而Cache正是通过将访问集中的内容放在速度更快的网络工程师上来提高性能的。引入Cache后，CPU在需要数据时，先找Cache,没找到再到内存中找。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间就应该是：从公式可以看出，系统的平均访存时间与命中率有很密切的关系。灵活地应用这个公式，可以计算出所有情况下的平均访存时间。例如：假设某流水线计算机主存的读/写时间为l00ns,有一个指令和数据合一的Cache,已知该Cache的读/写时间为l0ns,取指令的命中率为98%,取数据的命中率为95%.在执行某类程序时，约有1/5指令需要存/取一个操作数。假设指令流水线在任何时候都不阻塞，则设置Cache后，每条指令的平均访存时间约为多少？其实这是应用公式的一道简单数学题：（2）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，这个速度应该尽可能快。常见的映射方法有直接映射、全相联映射和组相联映射三种，其原理如图1-4所示。直接映射：是一种多对一的映射关系，但一个主存块只能够拷贝到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（其中m为Cache总行数）。例如，某Cache容量为16KB（即可用14位表示），每行的大小为16B（即可用4位网络工程师表示），则说明其可分为1024行（可用10位表示）。主存地址的最低4位为Cache的行内地址，中间10位为Cache行号。如果内存地址为1234E8F8H的话，那么最后4位就是1000（对应16进制数的最后一位），而中间10位，则应从E8F（111010001111）中获取，得到1010001111.全相联映射：将主存中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。图1-4Cache映射规则图解组相联映射：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，再通过全相联映射的方式决定Cache中的块号。网络工程师注意：在Cache映射中，主存和Cache存储器均分成容量相同的块。例如，容量为64块的Cache采用组相联方式映射，字块大小为128个字，每4块为一组。若主存容量为4096块，且以字编址，那么主存地址应该为多少位？主存区号为多少位？这样的题目，首先根据主存块与Cache块的容量需一致，得出内存块也是128个字，因此共有1284096个字，即219（27212）个字，因此需19位主存地址；而内存需要分为4096/64块，即26,因此主存区号需6位。（3）Cache淘汰算法当Cache数据已满，并且出现未命中情况时，就要淘汰一些老的数据，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。常见的方法有三种：随机淘汰、先进先出（FIFO）淘汰（即淘汰最早调入Cache的数据）、最近最少使用（LRU）淘汰法。其中平均命中率最高的是LRU算法。（4）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，通常使用以下三种方法：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。4.磁盘存储器磁盘是最常见的一种外部存储器，它是由1至多个圆形磁盘组成的，其结构如图1-5所示。网络工程师图1-5磁盘的主要术语示意图（1）常见技术指标计算磁道数：（外半径-内半径）？道密度记录面数。注意：硬盘的第一面与最后一面是保护用的，要减掉。如3个双面的盘片的记录面数是32-2=4.非格式化容量=位密度P最内圈直径总磁道数注意：每道的位密度是不同的，但每道的容量是相同的。0道是最外面的磁道，其位密度最小。格式化容量=每道扇区数扇区容量总磁道数平均数据传输速率=每道扇区数扇区容量盘片转数存取时间=寻道时间+等待时间。其中，寻道时间是指磁头移动到磁道所需的时间；等待时间为等待读写的扇区转到磁头下方所用的时间。5.SCSI与RAIDSCSI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。它的特点是速度快，支持多I/O任务并行操作。表1-4是常见的一些SCSI标准数据。表1-4SCSI标准数据网络工程师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