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目录

一、第一章

1.1 数值转换

1.2 数据的表示

1.3 计算机的基本组成

1.4 流水线

1.5 多级存储器结构

1.6 I/O控制方式

1.7 可靠性、校验码

二、第二章

三、第三章

总结

一、第一章

1.1 数值转换

1.进制转换

• 十进制 ↔ 二/八/十六进制：除基取余 / 按权展开
• 二进制B ↔ 八进制Q：3 位一组
• 二 进制B↔ 十六进制H：4 位一组
• 八进制Q ↔ 十六进制H：走二进制中转

例：

• 985D=1111011001B=1731Q=3D9H
• 二转八：001111011001B=1 7 3 1Q（从右到左三位一组，不足三位左边加0）
• 二转十六：001111011001B=3 D 9H（从右到左四位一组，不足四位左边加0）
• 八转十六：1 7 3 1Q=001111011001D=001111011001D=3 D 9H（八->二->十六）

2.数据存储单位

• 数据在计算机中的最小存储单位是位（bit），用小写b表示。
• 字节（Byte）是数据的基本单位，由8个二进制位组成，用大写B表示。
• 1KB（千字节）等于1024字节，1MB（兆字节）等于1024KB，1GB（吉字节）等于1024MB，1TB（太字节）等于1024GB。

3.二进制逻辑运算

逻辑运算包括与（AND）、或（OR）、非（NOT）和异或（XOR）四种基本运算。

• 与运算：只有当所有输入位都为1时，输出才为1。
• 或运算：只要有一个输入位为1，输出就为1。
• 非运算：对输入位进行取反操作。
• 异或运算：当输入位不同时，输出为1，相同时为0。

1.2 数据的表示

1.原码、反码、补码、移码

• 原码：符号位用0表示正号，用1表示负号。
• 反码：正数的表示与原码相同，负数的符号位不变，其他数值位取反。
• 补码：正数的表示与原码和反码相同，负数的符号位不变，在反码的基础上加1。
• 负数的补码转原码：符号位不变，数值位取反，末位加1。
• 移码：在补码的基础上，数值不变，符号位取反。

1.3 计算机的基本组成

1.计算机硬件五大部件

• 输入设备：如键盘，用于输入数据和程序到存储器。
• 输出设备：如打印机和显示器，用于输出数据。
• 存储器：如硬盘和内存，用于保存数据和程序。
• 运算器：如算术逻辑单元（ALU），用于进行算术运算和逻辑运算。
• 控制器：如程序计数器、指令寄存器和时序部件，用于协调各个部件的工作。

2.五大部件分类

• 运算器和控制器合称为中央处理单元（CPU）。
• 存储器分为辅助存储器和主存储器，辅助存储器如硬盘，主存储器如内存条。
• 输入设备、输出设备和存储器合称为外部设备。
• 主机由中央处理单元和主存储器组成。

3.运算器和控制器包含的寄存器

• 运算器包含算术逻辑单元（ALU）、累加计算器（AC）、数据缓冲计算器和状态条件计算器（PSW）。
• 控制器包含程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、指令译码器和时序部件。

4.运算器中的寄存器功能

• 算术逻辑单元（ALU）：进行算术运算和逻辑运算。
• 累加计算器（AC）：为ALU提供工作区，暂时保存数据。
• 数据缓冲计算器：读写内存时的缓存，暂时保存指令或数据。
• 状态条件计算器（PSW）：存放运算状态标志或控制标志，如溢出标志和除零标志。

5.控制器中的寄存器功能

• 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：对指令进行译码，分解出操作数。
• 时序部件：提供时序控制信号和时钟信号。

6.CPU的性能指标

• CPU的性能指标包括主频、字长和CPU缓存。
• 主频是工作频率，单位是赫兹（1/秒），越高则运算速度越快。
• 字长是单位时间能处理的数据位数，越长则运算速度越快。
• CPU缓存包括高速缓存和寄存器，位于CPU和内存之间，速度比内存快。
• 核心数量是指CPU中的处理核心数量，如双核、四核等。核心数量越多，进程并发度越高，性能越好。

7.总线的分类和性能指标

• 总线分为数据总线、地址总线和控制总线。
• 数据总线用于传输数据，是双向的。
• 地址总线用于指定数据地址，是单向的。
• 控制总线用于传输控制命令，可以是双向的。
• 总线性能指标包括带宽、位宽和工作频率。
• 带宽是单位时间能处理的数据量，单位是字节每秒。
• 位宽是数据总线的宽度，单位是bit。
• 工作频率是时钟频率，单位是赫兹。

例题：总线宽度为32bit，时钟频率为200MHz，若总线上每5个时钟周期传送一个32bit的
字，则该总线的带宽为多少MB/S？

带宽=位宽（bit）×工作频率（Hz）=数据总量（bit）/总时间（s）

1个时钟周期=1/时钟频率（200MHz），32bit=4B

带宽=4B/（5×1/200MHz）=160MB/s

8.寻址方式

• 立即寻址方式：操作数直接在指令中，速度快，灵活性差。
• 直接寻址方式：指令中存放的是操作数的地址。
• 间接寻址方式：指令中存放了一个地址，这个地址对应的内容是操作数的地址。
• 寄存器寻址方式：寄存器存放操作数。
• 寄存器间接寻址方式：寄存器内存放的是操作数的地址。
• 指令系统中采用不同寻址方式的目的：扩大寻址空间并提高编程灵活性。

1.4 流水线

例: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，流水线周期是? 100条指令全部执行完毕需要的时间就是?

答：流水线周期为一条指令中时间最长的（2ns）

总时间T=1+2+2+（100-1）×2=203ns

1.5 多级存储器结构

1.存储器的六个层次

• S0：寄存器，位于 CPU 内部，保存来自 Cache 的字，是速度最快、容量最小的存储单元。
• S1：芯片内的高速缓存（Cache），保存取自芯片外 Cache 的 Cache 行，速度仅次于寄存器，为 CPU 核心提供高频访问数据。
• S2：芯片外的高速缓存（SRAM、DRAM、DDRAM），保存取自主存储器的 Cache 行，作为片内 Cache 与主存之间的缓冲。
• S3：主存储器（Flash、PROM、EPROM、E2PROM），保存取自外部存储器的文件，是系统运行时的主要内存载体。
• S4：外部存储器（磁盘、光盘、CF 卡、SD 卡），保存取自远程二级存储的文件，用于大容量、长期数据存储。
• S5：远程二级存储（分布式文件系统、Web 服务器），跨设备 / 跨网络的大容量存储，用于归档、备份等场景。

2.地址映射方式

• 地址映射是将内存地址转换为高速缓存地址的过程。
• 直接映射：主存储器中的一块只能映射到高速缓存中的一个特定块。
• 全相联映射：主存储器中的任意一块可以映射到高速缓存中的任意一块。
• 主存块按高速缓存的组数进行分区，每组采用直接映射，主存块采用全相联映射。

1.6 I/O控制方式

1.直接程序控制方式

• 直接程序控制包括无条件传送方式和程序查询方式。
• 无条件传送方式：CPU和外部设备时刻准备通信，响应速度快。
• 程序查询方式：CPU不断查询外部设备的状态，空闲时才进行数据传输。

2.中断方式

• 中断方式：CPU在发送数据后释放控制权，外部设备打印完成后发送中断信号。
• 中断方式提高了CPU的利用率，但仍需占用一定CPU时间。

3.DMA方式

• CPU在发送数据后将控制权交给DMA控制器，由DMA控制器直接与外部设备通信。
• DMA方式在数据传输过程中不需要CPU干预，仅在开始和结束时需要CPU处理。

4.IOP方式

• IOP方式：用于大型主机或分布式系统中，具有独立处理能力的输入输出处理器。
• IOP方式提高了CPU的利用率，适用于大型系统和分布式系统。

1.7 可靠性、校验码

1.可靠性

2.码距、检错和纠错

• 码距：相同位不同的个数就是码距的大小，如1和0码距为1；10和01码距为2；101和010码距为3。码距越小，检错和纠错能力越弱；码距越大，检错和纠错能力越强。
• 奇偶校验码：奇偶校验码通过增加校验位，使编码中1的个数为奇数或偶数。奇校验：使1的个数为奇数；偶校验：使1的个数为偶数。奇偶校验码只能检测一位错，不能纠错。
• 循环冗余校验码（CRC）：CRC利用生成多项式为数据位生成校验位。 CRC是唯一使用模2运算的校验码。 CRC可以检测多位错，但不能纠错。利用生成多项式为k个数据位产生r个校验位来进行编码，编码长度为k+r。
• 海明校验码：海明校验码在数据位之间插入校验位，可以检测和纠正一位错。若数据位是n，校验位是k，则n和k满足2^k - 1 ≥ n + k。

二、第二章

2.1 嵌入式系统体系结构

• 嵌入式软件体系结构分为五个层次：硬件层、设备驱动层、操作系统层、中间件层和应用软件层。
• 硬件层包括处理器、存储器、键盘、显示器等。
• 设备驱动层负责硬件初始化，包括BSP（板级支持包）和驱动程序。
• 操作系统层包括内核和扩展部分，内核包含任务管理和中断管理，扩展部分如网络系统、文件系统等。
• 中间件层包括嵌入式COB、嵌入式Java、嵌入式.NET等，提供特定领域的功能。
• 应用软件层基于特定领域开发，实现具体功能，如手机游戏开发。

2.2 嵌入式操作系统概述

1.嵌入式操作系统分类

• 系统类型分类：商用系统、专用系统、开源系统。
• 响应时间分类：硬实时、软实时、非实时。
• 软件体系结构分类：单体结构、分层结构、微内核结构。

2.单体结构操作系统

• 单体结构定义：将内核和设备驱动程序集成在一个可执行文件中，功能模块相互调用。
• 优点：性能较好，直接调用各模块通信开销小。
• 缺点：系统体积庞大，高度集成，裁剪困难。
• 示例：Linux、μC/OS、PDOS等。

3.分层结构操作系统

• 分层结构定义：将内核按层次组织，上一层只能调用下一层，层与层之间单向调用。
• 优点：开发和维护简单，替换某一层不影响其他层次。
• 缺点：通信开销较大。
• 示例：Windows CE、QNX等。

4.微内核结构操作系统

• 微内核结构定义：将操作系统的大部分功能剥离到用户端，只保留核心功能在内核中。
• 优点：内核小，易于扩展和调试，安全性高，可移植性高。
• 缺点：通过微内核通信会增加额外开销，客户单元和服务器单元内存地址空间独立，切换开销大。
• 示例：Linux、μC/OS、PSOS等。

三、第三章

3.1 操作系统的作用

1.操作系统的主要内容：进程管理、存储管理、文件管理和设备管理。

3.2 进程管理

1.进程的概念：进程是程序在一个数据集合上运行的过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。它由程序块、进程控制块(PCB)和数据块三部分组成。

2.三态模型

• 运行态：占有处理器正在运行。
• 就绪态：指具备运行条件，等待系统分配*处理器以便运行。
• 等待态：又称为阻塞态或睡眠态，指不具备运行条件，正在等待某个事件的完成。
• 运行态一等待态：等待使用资源，如等待外设传输，等待人工干预。
• 等待态一就绪态：资源得到满足，如外设传输结束，人工干预完成。
• 运行态一就绪态：运行时间片到，出现有更高优先权进程。
• 就绪态一运行态：CPU空闲时选择一个就绪进程。

3.五态模型

4.PV操作

• P 是 “申请资源 / 减 1”，V 是 “释放资源 / 加 1
• 临界资源：诸进程间需要互斥方式对其进行共享的资源，如打印机、磁带机等。
• 临界区：每个进程中访问临界资源的那段代码称为临界区。
• 信号量：是一种特殊的变量

5.死锁

• 死锁概念：如果一个进程在等待一个不可能发生的事，则进程就死锁了。而如果一个或多个进程产生死锁，就会造成系统死锁。
• 系统有n个进程，每个进程都需要m个系统资源，则系统有n×（m-1）+1个系统资源，就不会发生死锁。例如系统有3个进程，每个进程都需要5个系统资源，则系统有3×（5-1）+1=13个系统资源时不会发生死锁。

6.任务调度的时机

• 当一个新的任务被创建时，需要做出一个调度决策，是立即执行这个新任务还是继续执行父任务。
• 当一个任务运行结束时，它不再占用CPU，这时调度器必须做出一个决策，从就绪队列中选择某个任务去运行。
• 当一个任务由于I/O操作、信号量或其它原因被阻塞时也必须另选一个任务运行。
• 当一个I/O操作已经完成而等待该I/O操作的任务将从阻塞状态变为就绪状态。
• 当一个时钟中断发生时，会唤醒一些延时任务或者可能会发现当前任务的时间片已用完，从而把它变为就绪状态。

3.3 存储管理

1.页式存储

• 优点：利用率高，碎片小，分配及管理简单。
• 缺点：增加了系统开销；可能产生抖动现象。

2.段式存储

• 优点：多道程序共享内容，各段程序修改互不影响。
• 缺点：内存利用率低，内存碎片浪费大。

3.段页式存储

• 优点：空间浪费小、存储共享容易、存储保护容易、能动态链接。
• 缺点：由于管理软件的增加，复杂性和开销也随之增加，需要的硬件及占用的内容也随之增加，使执行速度下降。

4.磁盘读取时间计算

• 磁盘读取时间包括寻磁道时间、旋转延迟时间和传输时间。 寻磁道时间是指磁头从当前位置移动到目标磁道所需的时间； 旋转延迟时间是磁盘旋转到目标扇区所需的时间；传输时间是数据从磁盘传输到内存所需的时间。

例题：某磁盘磁头从一个磁道移至另一个磁道需要10ms。文件在磁盘上非连续存放，逻辑上相邻数据块的平均移动距离为10个磁道，每块的旋转延迟时间及传输时间分别为100ms和2ms，则读取一个100块的文件需要__ms 时间？

读取磁盘数据时间=（10×10+100+2）×100=20200ms