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第一章计算机基础知识
一、硬件知识
1、计算机系统的组成包括硬件系统和软件系统
硬件系统分为三种典型结构:
(1)单总线结构
(2)、双总线结构 (3)、采用通道的大型系统结构
中央处理器CPU包含运算器和控制器。
2、指令系统 指令由操作码和地址码组成。
3、存储系统分为主存-辅存层次 和主存-Cache层次
Cache作为主存局部区域的副本,用来存放当前最活跃的程序和数据。
计算机中数据的表示 Cache的基本结构:
Cache由存储体、地址映像和替换机构组成。
4、通道是一种通过执行通道程序管理I/O操作的控制器,它使CPU与I/O操作达到更高的并行度。
5、总线从功能上看,系统总线分为地址总线(AB)、数据总线(DB)、控制总线(CB)。
6、磁盘容量记计算 非格式化容量=面数*(磁道数/面)*内圆周长*最大位密度
格式化容量=面数*(磁道数/面)*(扇区数/道)*(字节数/扇区)
7、数据的表示方法 原码和反码
[+0]原=000…00 [-0]原=100...00 [+0]反=000…00 [-0]反=111…11
正数的原码=正数的补码=正数的反码 负数的反码:
符号位不变,其余位变反。
负数的补码:
符号位不变,其余位变反,最低位加1。
二、操作系统 操作系统定义:
用以控制和管理系统资源,方便用户使用计算机的程序的集合。
功能:
是计算机系统的资源管理者。
特性:
并行性、共享性
分类:
多道批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、网络操作系统。
进程:
是一个具有一定独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动。
进程分为三种状态:
运行状态(Running)、就绪状态(Ready)、等待状态(Blocked)。
作业分为三种状态:
提交状态、后备运行、完成状态。
产生死锁的必要条件:
(1)、互斥条件:
一个资源一次只能被一个进程所使用;
(2)、不可抢占条件:
一个资源仅能被占有它的进程所释放,而不能被别的进程强行抢占;
(3)、部分分配条件:
一个进程已占有了分给它的资源,但仍然要求其它资源;
(4)、循环等待条件:
在系统中存在一个由若干进程形成的环形请求链,其中的每一个进程均占有若干种资源中的某一种,同时每一个进程还要求(链上)下一个进程所占有的资源。
死锁的预防:
1、预先静态分配法2、有序资源使用法3、银行家算法
虚拟存储器:
是指一种实际上并不以物理形式存在的虚假的存储器。
页架:
把主存划分成相同大小的存储块。
页:
把用户的逻辑地址空间(虚拟地址空间)划分成若干个与页架大小相同的部分,每部分称为页。
页面置换算法有:
1、最佳置换算法OPT;2、先进先出置换算法FIFO;3、最近最少使用置换算法LRU;4、最近未使用置换算法NUR。
虚拟设备技术:
通过共享设备来模拟独占型设备的动作,使独占型设备成为共享设备,从而提高设备利用率和系统的效率。
SPOOL系统:
实现虚拟设备技术的硬件和软件系统,又Spooling系统,假脱机系统。
作业调度算法:
1、先来先服务调度算法FIFO:
按照作业到达系统或进程进入就绪队列的先后次序来选择。
2、优先级调度算法:
按照进程的优先级大小来调度,使高优先级进程得到优先处理的调度策略。
3、最高响应比优先调度算法:
每个作业都有一个优先数,该优先数不但是要求的服务时间的函数,而且是该作业为得到服务所花费的等待时间的函数。
以上三种都是非抢占的调度策略。
三、嵌入式系统基本知识
定义:
以应用为中心,计算机技术为基础,软硬件可裁剪,适应于特定应用系统,对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的计算机系统。
特点:
硬件上,体积小、重量轻、成本低、可靠性高等特点、使用专用的嵌入式CPU。
软件上,代码体积小、效率高,要求响应速度快,能够处理异步并发事件,实时处理能力。
应用:
从航天飞机到家用微波炉。
第二章、计算机网络概论
滑动窗口协议规定重传未被确认的分组,这种分组的数量最多可以等于滑动窗口的大小,TCP采用滑动窗口协议解决了端到端的流量控制。
第2章协议与体系结构
2-01网络协议的三个要素是什么?
各有什么含义?
答:
在计算机网络中要做到有条不紊地交换数据,就必须遵守一些事先约定好的规则。
这些为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定即称为网络协议。
一个网络协议主要由以下三个要素组成:
(1)语法,即数据与控制信息的结构或格式;
(2)语义,即需要发出何种控制信息,完成何种动作以及做出何种应答;
(3)同步,即事件实现顺序的详细说明。
对于非常复杂的计算机网络协议,其结构最好采用层次式的。
2-02试举出对网络协议的分层处理方法的优缺点。
答:
优点:
(1)可使各层之间互相独立,某一层可以使用其下一层提供的服务而不需知道服务是如何实现的。
(2)灵活性好,当某一层发生变化时,只要其接口关系不变,则这层以上或以下的各层均不受影响。
(3)结构上可以分割开,各层可以采用最合适的技术来实现。
(4)易于实现和维护。
(5)能促进标准化工作。
缺点:
层次划分得过于严密,以致不能越层调用下层所提供的服务,降低了协议效率。
2-03试举出一些与分层体系结构的思想相似的日常生活。
2-04试述具有五层协议的原理网络体系结构的要点,包括各层的主要功能。
答:
综合OSI和TCP/IP的优点,采用一种原理体系结构。
各层的主要功能:
物理层物理层的任务就是透明地传送比特流。
(注意:
传递信息的物理媒体,如双绞线、同轴电缆、光缆等,是在物理层的下面,当做第0层。
)物理层还要确定连接电缆插头的定义及连接法。
数据链路层数据链路层的任务是在两个相邻结点间的线路上无差错地传送以帧(frame)为单位的数据。
每一帧包括数据和必要的控制信息。
网络层网络层的任务就是要选择合适的路由,使发送站的运输层所传下来的分组能够正确无误地按照地址找到目的站,并交付给目的站的运输层。
运输层运输层的任务是向上一层的进行通信的两个进程之间提供一个可靠的端到端服务,使它们看不见运输层以下的数据通信的细节。
应用层应用层直接为用户的应用进程提供服务。
2-05试举出日常生活中有关“透明”这种名词的例子。
2-06试将TCP/IP和OSI的体系结构进行比较。
讨论其异同之处。
答:
(1)OSI和TCP/IP的相同点是二者均采用层次结构,而且都是按功能分层。
(2)OSI和TCP/IP的不同点:
①OSI分七层,自下而上分为物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、表示层和应用层,而TCP/IP分四层:
网络接口层、网间网层(IP)、传输层(TCP)和应用层。
严格讲,TCP/IP网间网协议只包括下三层,应用程序不算TCP/IP的一部分。
②OSI层次间存在严格的调用关系,两个(N)层实体的通信必须通过下一层(N-1)层实体,不能越级,而TCP/IP可以越过紧邻的下一层直接使用更低层次所提供的服务(这种层次关系常被称为“等级”关系),因而减少了一些不必要的开销,提高了协议的效率。
③OSI只考虑用一种标准的公用数据网。
2-07解释以下名词:
协议栈、实体、对等层、协议数据单元、服务访问点、客户、服务器、客户/服务器方式。
答:
协议栈——协议套件又称为协议栈,因为它由一系列的子层组成,各层之间的关系好像一个栈。
实体(entity)——用以表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。
对等层与协议——任何两个同样的层次(例如在两个系统的第4层)之间,好像将数据(即数据单元加上控制信息)直接传递给对方。
这就是所谓的“对等层”(peerlayers)之间的通信。
我们以前经常提到的各层协议,实际上就是在各个对等层之间传递数据时的各项规定。
服务访问点SAP——是相邻两层实体交互的一个逻辑接口。
协议数据单元PDU——各层的数据单元
服务数据单元SDU——各层之间传递数据的单元
客户-服务器模型——大部分网络应用程序在编写时都假设一端是客户,另一端是服务器,其目的是为了让服务器为客户提供一些特定的服务。
可以将这种服务分为两种类型:
重复型或并发型。
客户机是主叫方,服务器是被叫方。
2-08面向连接服务与无连接服务各自的特点是什么?
答:
面向连接服务在数据交换之前必须先建立连接,保留下层的有关资源,数据交换结束后,应终止这个连接,释放所保留的资源。
而对无连接服务,两个实体之间不建立连接就可以通信,在数据传输时动态地分配下层资源,不需要事先进行预保留。
2-09协议与服务有何区别?
有何关系?
答:
协议是水平的,服务是垂直的。
协议是“水平的”,即协议是控制对等实体之间的通信的规则。
服务是“垂直的”,即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。
协议与服务的关系
在协议的控制下,上层对下层进行调用,下层对上层进行服务,上下层间用交换原语交换信息。
同层两个实体间有时有连接。
第三章数据通信基础
一、数据通信的主要技术指标
传输速率S=(1/T)log2N
T—信号脉冲重复周期或单位脉冲宽度
n—一个脉冲信号代表的有效状态数,是2的整数值
log2N—单位脉冲能表示的比特数
信道容量:
表征一个信道传输数据的能力。
单位:
bps
信道容量的计算:
无噪声C=2H=2Hlog2N(奈奎斯特定理)
H—信道带宽
N—一个脉冲信号代表的有效状态数
有噪声C=Hlog2(1+S/N) (香农公式)
H—信道带宽S—信号功率N—噪声功率
dB=10log10S/N,当S/N=1000时,信噪比为30dB
二、数据交换方式
延迟的计算:
1、电路交换
总延迟=链路建立时间+线路延迟+发送时长
2、虚电路分组交换
总延迟=链路建立时间+(每个分组在交换结点延迟+每个分组线路延迟+每个分组发送时长)*分组数
3、数据报分组交换
总延迟=(每个分组在交换结点延迟+每个分组线路延迟+每个分组发送时长)*分组数
三、信号传输
a、模拟信号→模拟传输
b、模拟信号→数字传输需要编码解码器(Codec),模拟数据数字化分为三步:
采样、量化、编码采样:
对于连续信号是通过规则的时间间隔测出波的振动幅度从而产生一系列数据。
量化:
采样得到的离散数据转换成计算机能够表示的数据范围的过程,即将样值量化成一个有限幅度的集合X(nT)。
编码:
用一定位数的二进制数来表示采样所得脉冲的量化幅度的过程。
常用编码方法有PCM脉冲编码调制。
c、数字信号→数字传输常用编码:
归零码、不归零码、曼彻斯特码、差分曼彻斯特码
IEEE802.3以太网使用曼彻斯特编码,IEEE802.5令牌环使用差分曼彻斯特编码,两者的编码效率是50%,FDDI、100BASE-FX使用了4B/5B编码和NRZ-I(不归零码),编码效率是80%。
d、数字信号→模拟传输需要调制和解调,调制:
由发送端将数字数据信号转换成模拟数据信号的过程;解调:
在接收端把模拟数据信号还原为数字数据信号的过程,调制的方法:
载波的表示--y=A(t)sin(wt+Ф),分为ASK振幅调制、FSK频率调制、PSK相位调制。
曼彻斯特编码:
每比特的1/2周期处要发生跳变,由高电平跳到低电平表示1,由低电平跳到高电平表示0;差分曼彻斯特编码:
有电平转换表示0,无电平转换表示1。
四、差错控制
CRC-CCITT G(X)=X16+X12+X5+1HDLC的帧校验用
CRC-16 G(X)=X16+X15+X2+1
CRC-32 G(X)=X32+…+X+1 用在局域网中
海明码:
m+k+1<2k数据位m,要纠正单个错误,得出冗余位k必须取的最小值。
码距为m、n中最小值,它能够发现(码距-1)位错,并可纠正(码距-1-1)位错;比如8421的码距为1。
要检测出d位错,码字之间的海明距离最小值应为d+1。
CRC冗余码求法:
(1)、如果信息位为K位,则其K-1次多项式可记为K(x);如信息1011001,则k(x)=x6+x4+x3+1;
(2)、冗余位为R位,其R-1位记为R(x);如冗余位为1011,则R(x)=x3+x+1;(3)、发送信息为N=K+R,多项式为T(x)=Xr*K(x)+R(x),Xr表示将K(x)向左平移r位;(4)、冗余位产生过程:
已知K(x)求R(x)的过程,一般应选一特定R次多项式G(x)(生成多项式)一般先事先商定好的,用G(x)去除Xr*K(x)得余式即为R(x)。
R(x)=Xr*K(x)/G(x);运算规则异或运算,相同取0,不同取1。
五、压缩和解压缩方法
JPEG属于黑白文稿数据压缩系统。
二维压缩技术是指在水平和垂直方向都进行了压缩,在压缩算法中属于二维压缩技术的是MR。
MMR数据压缩系统是在MR的基础上该进而来的,它主要在压缩效率和容错能力方面进行了改进和提高。
下列压缩技术中,MPEG属于动态图像压缩技术。
第4章数据链路层
4-01数据链路(即逻辑链路)与链路(即物理链路)有何区别?
“电路接通了”与“数据链路接通了”的区别何在?
答:
(1)数据链路与链路的区别在于数据链路除链路外,还必须有一些必要的规程来控制数据的传输。
因此,数据链路比链路多了实现通信规程所需要的硬件和软件。
(2)“电路接通了”表示链路两端的结点交换机已经开机,物理连接已经能够传送比特流了。
但是,数据传输并不可靠。
在物理连接基础上,再建立数据链路连接,才是“数据链路接通了”。
此后,由于数据链路连接具有检测、确认和重传等功能,才使不太可靠的物理链路变成可靠的数据链路,进行可靠的数据传输。
当数据链路断开连接时,物理电路连接不一定跟着断开连接。
4-02数据链路层中的链路控制包括哪些功能?
答:
数据链路层中的链路控制包括链路管理;帧同步;流量控制;差错控制;将数据和控制信息分开;透明传输;寻址等功能。
4-03考察停止等待协议算法。
在接收结点,当执行步骤(4)时,若将“否则转到(7)”改为“否则转到(8)”,将产生什么结果?
答:
步骤(4)中,若,表明发送结点队上一帧的确认发送结点没有正确收到,发送结点重传了上一帧,此时接收结点的做法应当是:
丢弃该重复帧,并重发对该帧的确认。
若改为“转到(8)”,接收结点发送否认帧,则接收结点以为该帧传输错误,则一直重发该帧。
4-04在停止等待协议算法中,在接收站点,当执行步骤(3)时,若将“否则—-——转到(6)”改为“否则—-——转到
(2)”将产生什么结果?
4-05在停止等待协议算法中,若不使用帧的序号将出现什么后果?
4-06一个信道速率为4kb/s。
采用停止等待协议。
传播时延为20ms。
确认帧长度和处理时间均可忽略。
问帧长为多少才能使信道利用率达到至少50%?
答:
当发送一帧的时间等于信道的传播时延的2倍时,信道利用率是50%,或者说当发送一帧的时间等于来回路程的传播时延时,效率将是50%。
即20ms*2=40ms。
现在发送速率是每秒4000bit,即发送一位需0.25ms。
则帧长40/0.25=160bit。
4-07在停止等待协议中,确认帧是否需要序号?
请说明理由。
答:
在一般情况下,确认帧不需要序号。
但如果超时时间设置短了一些,则可能会出现问题,即有时发送方会分不清对哪一帧的确认。
4-08试写出连续ARQ协议的算法。
答:
连续ARQ协议的工作原理如图所示。
连续ARQ协议在简单停止等待协议的基础上,允许连续发送若干帧,在收到相应ACK后继续发送若干帧,用以提高传输效率。
这时ACK及NAK也必须有对应的帧序号,才能够一一对应起来。
在发生差错时丢弃原已发送的所有后续帧,重发差错发生以后的所有帧,相当于完全返回重传。
信道较差时,连续ARQ协议传输效率不高。
4-09试证明:
当用n个比特进行编号时,若接收窗口的大小为1,则只有在发送窗口的大小Wt<=2n-1时,连续ARQ协议才能正确运行。
证明:
(1)显然WT内不可能有重复编号的帧,所以WT≤2n。
设WT=2n;
(2)注意以下情况:
发送窗口:
只有当收到对一个帧的确认,才会向前滑动一个帧的位置;
接收窗口:
只有收到一个序号正确的帧,才会向前滑动一个帧的位置,且同时向发送端发送对该帧的确认。
显然只有接收窗口向前滑动时,发送端口才有可能向前滑动。
发送端若没有收到该确认,发送窗口就不能滑动。
(3)为讨论方便,取n=3。
并考虑当接收窗口位于0时,发送窗口的两个极端状态
状态1:
发送窗口:
0123456701234567
全部确认帧收到接收窗口:
0123456701234567
状态2:
发送窗口:
0123456701234567
全部确认帧都没收到接收窗口:
0123456701234567
(4)可见在状态2下,接收过程前移窗口后有效序列号的新范围和发送窗口的旧范围之间有重叠,致使接收端无法区分是重复帧还是新帧。
为使旧发送窗口和新接收窗口之间序列号不发生重叠,有WT+WR≤2n,所以WT≤2n-1。
4-10试证明:
对于选择重传ARQ协议,若用?
n?
比特进行编号,则接收窗口的最大值受公式(4-8)的约束。
证明:
同上,有,而选择重传ARQ协议中,接收窗口肯定比发送窗口小,故证。
4-11在选择重传ARQ协议中,设编号用3bit。
再设发送窗口Wt=6而接收窗口WR=3。
试找出一种情况,使得在此情况下协议不能正确工作。
答:
设想在发送窗口内的序号为0,1,2,3,4,5,而接收窗口等待后面的6,7,0。
接收端若收到0号帧,则无法判断是新帧还是重传的(当确认帧丢失)。
4-12在连续ARQ协议中,设编号用3bit,而发送窗口Wt=8。
试找出一种情况,使得在今此情况下协议不能正确工作。
答:
设想在发送窗口内的序号为0,1,2,3,4,5,6,7。
而接收窗口等待后面的0。
接收端若收到0号帧,则无法判断是新帧还是重传的(当确认帧丢失)。
4-13在什么条件下,选择重传ARQ协议和连续ARQ协议在效果上完全一致?
答:
当传输误差错时,或者选择重传协议的接收窗口为1时。
4-14在连续ARQ协议中,若发送窗口Wt=7,则发送端在开始时叶连续发送7个数据帧。
因此,在每一帧发出后,都要置一个超时计时器。
现在计算机里只有一个硬时钟。
设这7个数据帧发出的时间分别为t0,t1,…,t6,且tout都一样大。
试问如何实现这7个超时计时器(这叫软时钟法)?
答:
可使用链表实现。
4-15卫星信道的数据率为1Mb/s。
数据帧长为2000bit。
忽略确认帧长和处理时间。
试计算下列情况下的信道利用率:
(1)停止等待协议。
(2)连续ARQ协议,Wt=7。
(3)连续ARQ协议,Wt=127。
(4)连续ARQ协议,Wt=255。
答:
使用卫星信道端到端的传输延迟是?
250ms-270ms,以1Mb/s发送,2000bit长的帧的发送时间是2000bit/(1Mb/s)=2ms。
若用t=0表示开始传输时间,那么在t=2ms,第一帧发送完毕。
t=252ms,第一帧完全到达接收方。
t=254ms,对第一帧的确认帧发送完毕。
t=504ms时带有确认的帧完全到达发送方。
因此周期是542ms。
如果在504ms内可以发送k个帧(每个帧的发送用2ms时间),则信道利用率是2k/504,因此,
(1)停止等待协议,k=1,2/504=1/252。
(2)W=7,14/504=7/252(3)W=127,254/504=127/252(4)W=255,2W=510>504,故信道利用率为1。
4-16试简述HDLC帧各字段的意义。
HDLC用什么方法保证数据的透明传输?
答:
(1)HDLC帧的格式,信息字段(长度可变)为数据链路层的数据,它就是从网络层传下来的分组。
在信息字段的两端是24bit的帧头和帧尾。
HDLC帧两端的标志字段用来界定一个帧的边界,地址字段是用来填写从站或应答站的地址信息,帧校验序列FCS用来对地址、控制和信息字段组成的比特流进行校验,控制字段最复杂,用来实现许多主要功能。
(2)采用零比特填充法来实现链路层的透明传输,即在两个标志字段之间不出现6个连续1。
具体做法是在发送端,当一串比特流尚未加上标志字段时,先用硬件扫描整个帧,只要发现5个连续的1,则在其后插入1个0,而在接收端先找到F字段以确定帧的边界,接着再对其中的比特流进行扫描,每当发现5个连续的1,就将这5个连续1后的1个0删除,以还原成原来的比特流。
4-17HDLC帧可分为哪几个大类?
试简述各类帧的作用。
答:
在HDLC中,帧被分为三种类型:
(1)信息帧用于传输数据的帧,具有完全的控制顺序。
(2)监控帧用于实现监控功能的帧。
包括接收准备好、接收未准备好、请求发送、选择发送等监控帧。
主要完成回答、请求传输、请求暂停等功能。
(3)无编号帧用于提供附加的链路控制功能的帧。
该帧没有信息帧编号,因此可以表示各种无编号的命令和响应(一般情况下,各种命令和响应都是有编号的),以扩充主站和从站的链路控制功能。
4-18HDLC规定,接收序号N(R)表示序号为[N(R)-1](mod8)的帧以及在这以前的各帧都已正确无误地收妥了。
为什么不定义“N(R)表示序号为N(R)(mod8)的帧以及在这以前的各帧都已正确无误地收妥了”?
答:
因为帧的初始序号为0。
4-19PPP协议的主要特点是什么?
它适用在什么情况下?
答:
点对点协议PPP,它有三个组成部分:
(1)一个将IP数据报封装到串行链路的方法。
(2)一个用来建立,配置和测试数据链路连接的链路控制协议LCP。
(3)一套网络控制协议NCP,支持不同的网络层协议。
点对点协议PPP适用于在PSTN拨号的情况。
第5章局域网
5-01局域网的主要特点是什么?
为什么说局域网是一个通信网?
答:
局域网是将小区域内的各种通信设备互联在一起的通信网络。
1)特点:
高数据速率(0.1Mbps~100Mbps)短距离(0.1km~25km)低误码率(10-8~10-11)。
2)局域网络是一个通信网络,因为从协议层次的观点看,它包含着下三层的功能。
在OSI的体系结构中,一个通信子网只有最低的三层。
而局域网的体系结构也只有OSI的下三层,没有第四层以上的层次。
所以说局域网只是一种通信网。
5-02IEEE802局域同参考模型与OSI参考模型有何异同之处?
答:
0SI体系结构指7层开放式互连标准参考模型。
IEEE802是国际电子与电气工程师协会发布的关于办公自动化和轻工业局域网体系结构的一系列标准文件,该标准基本上对应于0SI模型的物理层和
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