計算機體系結(jié)構(gòu)精解

1、第一章計算機組成原理本部分要求掌握計算機方面的基礎(chǔ)知識，包括計算機的發(fā)展、計算的系統(tǒng)組成、基本組成和工 作原理、計算機的數(shù)制數(shù)據(jù)表示以及運算校驗、指令系統(tǒng)以及計算機系統(tǒng)的安全等基礎(chǔ)性的知識。 內(nèi)容多而且復(fù)雜，尤其是有關(guān)計算機硬件方面的內(nèi)容，很細而且靈活性不高，知識量相當大，掌握 這部分一定要多下功夫，學(xué)會取舍、把握重點、抓住要害。1.1 考試大綱及歷年考題知識點1.1.1 大綱要求考試要求：1 掌握數(shù)據(jù)表示、算術(shù)和邏輯運算；2 掌握計算機體系結(jié)構(gòu)以及各主要部件的性能和基本工作原理 考試范圍1 計算機科學(xué)基礎(chǔ)1.1 數(shù)制及其轉(zhuǎn)換 二進制、十進制和十六進制等常用制數(shù)制及其相互轉(zhuǎn)換1.2 數(shù)據(jù)的表示

2、 數(shù)的表示（原碼、反碼、補碼、移碼表示，整數(shù)和實數(shù)的機內(nèi)表示，精度和溢出） 非數(shù)值表示（字符和漢字表示、聲音表示、圖像表示） 校驗方法和校驗碼（奇偶校驗碼、海明校驗碼、循環(huán)冗余校驗碼）1.3 算術(shù)運算和邏輯運算 計算機中的二進制數(shù)運算方法 邏輯代數(shù)的基本運算和邏輯表達式的化簡2計算機系統(tǒng)知識2.1 計算機系統(tǒng)的組成、體系結(jié)構(gòu)分類及特性 CPU 和存儲器的組成、性能和基本工作原理 常用 I/O 設(shè)備、通信設(shè)備的性能，以及基本工作原理 I/O 接口的功能、類型和特性 I/O 控制方式（中斷系統(tǒng)、DMA、I/O 處理機方式） CISC/RISC，流水線操作，多處理機，并行處理2.2 存儲系統(tǒng) 主存-

3、Cache 存儲系統(tǒng)的工作原理 虛擬存儲器基本工作原理，多級存儲體系的性能價格 RAID 類型和特性2.3 安全性、可靠性與系統(tǒng)性能評測基礎(chǔ)知識 診斷與容錯 系統(tǒng)可靠性分析評價 計算機系統(tǒng)性能評測方式1.2 計算機科學(xué)基礎(chǔ)1.2.1 數(shù)制及其轉(zhuǎn)換1、 R 進制轉(zhuǎn)換成十進制的方法 按權(quán)展開法:先寫成多項式,然后計算十進制結(jié)果. 舉例：(1101.01)2=123+122+021+120+ 02-1+12-2 =8+4+1+0.25=13.25(237)8=282+381+780 =128+24+7=159(10D)16=1162+13160=256+13=2692、 十進制轉(zhuǎn)換成二進制方法 一般

4、分為兩個步驟：整數(shù)部分的轉(zhuǎn)換除 2 取余法（基數(shù)除法）小數(shù)部分的轉(zhuǎn)換乘 2 取整法（基數(shù)乘法）例：求（75.453）10轉(zhuǎn)二進制（取4位小數(shù)）解：整數(shù)部分: 2 |75 12|37 1. 0 1把余數(shù)寫下來：由下至上寫得1001011小數(shù)部分： 0.45320906 021812 121624 121248 1規(guī)則：進位留，乘積略。由上至下寫得：0111（取4位小數(shù)）最后結(jié)果：1001011.0111 (10進制轉(zhuǎn)8，16進制類似)3、 其它進制之間的直接轉(zhuǎn)換法例:二轉(zhuǎn)8,16進制 (1000100.1011)2=(104.54)8=(44.B)161.2.2 數(shù)據(jù)的表示機器數(shù)：計算機中表示的

5、帶符號的二進制數(shù)。把符號位和數(shù)字位一起編碼來表示相應(yīng)的數(shù)的各 種表示方法。機器數(shù)有四種表示方法即原碼、補碼、反碼和移碼。【概念：定點數(shù)】1.原碼表示法 原碼表示法用“0”表示正號，用“1”表示負號，有效值部分用二進制的絕對值表示。（1）0的表示：對于 0，原碼機器中往往有“+0”、“-0”之分，故有兩種形式：+0原=0000.0-0原=1000.0（2）表示范圍：原碼小數(shù)的表示范圍: 1X1原碼整數(shù)的表示范圍:最大值 : 2n-1【n指除符號位外的二進制位數(shù)】最小值:-(2n-1)2.補碼表示法（1）0的表示：對于 0，0補0補00000注意，0 的補碼表示只有一種形式。（2）表示范圍：定點小

6、數(shù)： -1=X1 定點整數(shù)： -2n= X 2n（3）原碼與補碼之間的轉(zhuǎn)換：知原碼求補碼正數(shù)X補=X原負數(shù)符號除外，各位取反，末位加 1例：X= -01001001X原=11001001，X補=10110110+1=101101113 反碼表示法正數(shù)的表示與原碼相同，負數(shù)是保持原碼符號位不變，數(shù)值位是將原碼的數(shù)值按位取反（1）0的表示：+0反=00000000；-0反=11111111（2）表示范圍同原碼4.移碼表示法補碼的符號位取反就得到移碼（1）0的表示：100000（2）例：X1 = 0101 0101X1補=0101 0101X1移=1101 0101X2 = -0101 0101X2

7、補=1010 1011X2移=0010 1011碼制表示法小結(jié)X原、X反 、X補用“0”表示正號，用“1”表示負號； X移用“1”表示正號，用“0”表示 負號。如果 X 為正數(shù)，則X原=X反 =X 補。如果 X 為 0，則 X 補 、X移有唯一編碼， X原、X反 有兩種編碼。移碼與補碼的形式相同，只是符號位相反。例：若碼值FFH是一個整數(shù)的原碼表示，則該整數(shù)的真值為_(45)_：若碼值FFH是一個整數(shù)的補碼表示，則該整數(shù)的真值為_(46)_。(45)A127 B0 C-127 D-1(46)A127 B0 C-127 D-1C D 把FFH化為二進制：11111111 原碼很簡單，補碼看符號位

8、為1，后7為取反1可得真值為1，再加上符號位得1 1.2.3 漢字的表示方法1.漢字的輸入編碼 數(shù)字編碼：常用的是國標區(qū)位碼，用數(shù)字串代表一個漢字輸入。拼音碼：拼音碼是以漢字拼音為基礎(chǔ)的輸入方法。 字形編碼：字形編碼是用漢字的形狀來進行的編碼。2.漢字內(nèi)碼 漢字內(nèi)碼是用于漢字信息的存儲、交換、檢索等操作的機內(nèi)代碼，一般采用兩個字節(jié)表示。英文字符的機內(nèi)代碼是七位的 ASCII 碼，當用一個字節(jié)表示時，最高位為“0”。為了與英文字符相互區(qū)別，漢字機內(nèi)代碼中兩個字節(jié)的最高位均規(guī)定為“1”。3.漢字字模碼 字模碼是用點陣表示的漢字字形代碼，它是漢字的輸出形式。根據(jù)漢字輸出的要求不同，點陣的多少也不同。

9、字模點陣的信息量很大，所占存儲空間也很大。 因此字模點陣只能用來構(gòu)成漢字庫，而不能用于機內(nèi)存儲。字庫中存儲了每個漢字的點陣代碼。當 顯示輸出或打印輸出時才檢索字庫，輸出字模點陣，得到字形。注意：漢字的輸入編碼、漢字內(nèi)碼、字模碼是計算機中用于輸入、內(nèi)部處理、輸出三種不同 用途的編碼，不要混為一談。例：已知漢字“大”的國標碼為3473H，其機內(nèi)碼為_(2)_。(2)A. 4483H B. 5493H C. B4F3H D.74B3H解：3473H轉(zhuǎn)二進制（占兩個字節(jié)），把每字節(jié)的最高位置“1”，再轉(zhuǎn)回16進制即得機內(nèi)碼。1.2.4 校驗碼元件故障、噪聲干擾等各種因素常常導(dǎo)致計算機在處理信息過程中會

10、出現(xiàn)錯誤。 為了防止錯誤，可將信號采用專門的邏輯線路進行編碼以檢測錯誤，甚至校正錯誤。 通常的方法是，在每個字上添加一些校驗位，用來確定字中出現(xiàn)錯誤的位置。1、 奇偶校驗設(shè)(01n-1)是一個 n 位字，則奇校驗位定義為C01n-1 (2.15)式中代表按位加，表明只有當中包含有奇數(shù)個 1 時，才使 C1，即 C0。偶校驗位定義為 C01n-1 (2.16) 即中包含偶數(shù)個 1 時，才使 C0。假設(shè)一個字從部件 A 傳送到部件 B。在源點 A，校驗位 C 可用上面公式算出來，并合在一起將(01n-1C)送到 B。假設(shè)在 B 點真正接收到的是(01n-1C )，然后計算F01n-1C 若 F1，

11、意味著收到的信息有錯，若 F0，表明字傳送正確。奇偶校驗可提供單個錯誤檢 測，但無法檢測多個錯誤，更無法識別錯誤信息的位置。例已知下表中左面一欄有 5 個字節(jié)的數(shù)據(jù)。請分別用奇校驗和偶校驗進行編碼，填在中間一欄和 右面一欄。 解: 假定最低一位為校驗位，其余高 8 位為數(shù)據(jù)位，列表如下。從中看出，校驗位的 值取 0 還是取 1， 是由數(shù)據(jù)位中 1 的個數(shù)決定的。數(shù)據(jù)偶校驗編碼奇校驗編碼1 0 1 0 1 0 1 01 0 1 0 1 0 1 0 01 0 1 0 1 0 1 0 10 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 10 1 0 1 0 1 0 0 00 0 0 0

12、 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 10 1 1 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 1 1 01 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 01 1 1 1 1 1 1 1 11.2.5 數(shù)據(jù)格式計算機中常用的數(shù)據(jù)表示格式有兩種: 一是定點格式，二是浮點格式 定點格式容許的數(shù)值范圍有限，但要求的處理硬件比較簡單。 浮點格式容許的數(shù)值范圍很大，但要求的處理硬件比較復(fù)雜。1、定點表示法定點格式：小數(shù)點位置固定的數(shù)。計算機中的定點數(shù)一般只采用純整數(shù)或者純小數(shù)形式，分別稱為 定點整數(shù)和定點小數(shù)。2

13、、浮點表示法浮點格式：小數(shù)點位置不固定的數(shù)。把一個數(shù)的有效數(shù)字和數(shù)的表示范圍在計算機中分別表示。（1）浮點數(shù)格式 一個任意進制的數(shù) N 可以寫成：N =RE * MM:浮點數(shù)的尾數(shù)（mantissa)，一般用定點小數(shù)表示E:浮點數(shù)的階碼(exponent)，一般用定點整數(shù)表示R:基數(shù)(radix)，一般為 2，8 或 16。計算機中，常用補碼進行加減運算補碼可將減法變加法進行運算補碼運算特點：符號位數(shù)值位一同運算定點補碼運算在加法運算時的基本規(guī)則：X補+Y補 = X+Y補（兩個補碼的和等于和的補碼）定點補碼運算在減法運算時的基本規(guī)則:X-Y補=X補+-Y補2、 補碼加法 負數(shù)用補碼表示后，可以

14、和正數(shù)一樣來處理。這樣，運算器里只需要一個加法器就可以了，不必為了負數(shù)的加法運算，再配一個減法器。補碼加法的公式是補補補(mod 2)補碼加法的特點:一是符號位要作為數(shù)的一部分一起參加運算，二是要在模 2 的意義下相加，即超過2 的進位要丟掉。例 0.1001， 0.0101，求。解:補0.1001， 補0.0101補0.1001補0.0101補0.1110所以0.11103、 補碼減法： 數(shù)用補碼表示時，減法運算的公式為補補補補補從補求補的法則是：對補包括符號位“求反且最末位加 1”，即可得到補。例 已知10.1110，20.1101，求：1補，1補，2補，2補。 解:1補1.00101補0

15、.11102補0.11012補1.00114、 溢出概念與檢測方法在定點小數(shù)機器中，數(shù)的表示范圍為|1. 在運算過程中如出現(xiàn)大于 1 的現(xiàn)象，稱為“溢出”。在定點機中，正常情況下溢出是不允許 的。例 0.1011， 0.1001，求。解:補0.1011 補0.1001補 0.1011補 0.1001補1.0100兩個正數(shù)相加的結(jié)果成為負數(shù)，這顯然是錯誤的。例 0.1101， 0.1011，求。解:補1.0011 補1.0101補 1.0011補 1.0101補0.1000兩個負數(shù)相加的結(jié)果成為正數(shù)，這同樣是錯誤的。 上溢:兩個正數(shù)相加，結(jié)果大于機器所能表示的最大正數(shù)。下溢:兩個負數(shù)相加，結(jié)果小

16、于機器所能表示的最小負數(shù)。溢出檢測方法:雙符號位法和單符號位法。雙符號位法：運算結(jié)果的二符號位相異時,表示溢出；相同時,表示未溢出。故溢出邏輯表達式為 VSf1Sf2,其中Sf1和Sf2分別為最高符號位和第二符號位。此邏輯表達式可用異或門實現(xiàn)。單符號位法：如上兩例，當最高有效位產(chǎn)生進位而符號位無進位時,產(chǎn)生上溢；當最高有效位無進位而符號位有進位時,產(chǎn)生下溢。故溢出邏輯表達式為VCfCo,其中Cf為符號位產(chǎn)生的進位,Co為最高有效位產(chǎn)生的進位。此邏輯表達式也可用異或門實現(xiàn)。5、 邏輯運算 計算機中除了進行加、減、乘、除等基本算術(shù)運算外，還可對兩個或一個邏輯數(shù)進行邏輯運算。 計算機中的邏輯運算，主

17、要是指邏輯非、邏輯加、邏輯乘、邏輯異四種基本運算。1)邏輯非運算邏輯非也稱求反。對某數(shù)進行邏輯非運算，就是按位求它的反，常用變量上方加一橫來表示。2)邏輯加運算對兩個數(shù)進行邏輯加，就是按位求它們的“或”，所以邏輯加又稱邏輯或，常用記號“V”或“”來表示。 例 10100001，10011011， 求。解:1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 即 101110113)邏輯乘運算對兩數(shù)進行邏輯乘，就是按位求它們的“與”，所以邏輯乘又稱“邏輯與”，常用記號“”或“”來 表示。 例 10111001，11110011，求。解:1 0 1 1 1

18、 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 1 即 101100014)邏輯異運算對兩數(shù)進行異就是按位求它們的模 2 和，所以邏輯異又稱“按位加”，常用記號“”表示。 例 10101011，11001100，求。解:1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 即 011001116、 浮點加法、減法運算設(shè)有兩個浮點數(shù)和，它們分別為2Ex. M2EyMy其中 E和 E分別為數(shù)和的階碼，M和 M為數(shù)和的尾數(shù)步驟：對階-求和差-規(guī)格化-舍入1、對階：即對齊兩數(shù)的小數(shù)點使兩數(shù)的階碼相等對階原則：小階向大階看齊即小階的尾數(shù)

19、每右移一位，階碼+1。2、求和/差：對階之后進行尾數(shù)運算。（尾數(shù)按補碼加減運算規(guī)則運算）3、規(guī)格化：當浮點數(shù)大于0時，其規(guī)格化尾數(shù)應(yīng)為：M=0.1xxxx -2n-1 E 2n-1 1當浮點數(shù)為0時，其規(guī)格化尾數(shù)應(yīng)為： M=0.000 E=0當浮點數(shù)小于0時，其規(guī)格化尾數(shù)應(yīng)為：M=1.0xxxx -2n-1 E 2n-1 1補碼尾數(shù)求和的結(jié)果，可能出現(xiàn)下列6種情況：M補=00.1 M補=11.0 M補=00.0 M補=11.1 M補=10. M補=01. 其中 符合規(guī)格化數(shù)的定義，是規(guī)格化數(shù) 需使尾數(shù)左移、階碼減1，直至滿足規(guī)格化要求稱為左規(guī) 在浮點運算中表明尾數(shù)之和絕對值大于1， 將尾數(shù)右移

20、實現(xiàn)規(guī)格化稱為右規(guī)若兩浮點數(shù)求和后運算結(jié)果為： A+B浮=0011 11.1101 非規(guī)格化浮點數(shù)，應(yīng)左規(guī)，結(jié)果為： A+B浮=0001 11.0100若兩浮點數(shù)求和后運算結(jié)果為： C+D浮=0101 01.0010 非規(guī)格化浮點數(shù)，應(yīng)右規(guī)，結(jié)果為： C+D浮=0110 00.10014、舍入操作“0舍1入”法：即移掉的最高位為1時則在尾數(shù)末位加1；為0時則舍去移掉的數(shù)值。 末位恒1法：即右移時，丟掉移出的原低位上的值并將結(jié)果的最低位置1。5、階碼溢出判斷階碼無溢出 加減運算正常結(jié)束 階碼下溢 運算結(jié)果置為機器0 階碼上溢 置溢出標志例 設(shè)20100.11011011，2100(0.10101

21、100)，求。解:假設(shè)兩數(shù)均以補碼表示，階碼采用雙符號位，尾數(shù)采用單符號位，則它們的浮點表示分別為浮00 010，0.11011011浮00 100，1.01010100 求階差并對階EEEE補E補00 01011 10011 110（11 110補碼轉(zhuǎn)原碼 若是負數(shù)，則數(shù)值位取反1得原碼：11 010 故下一句說是2）即E為2，的階碼小，應(yīng)使M右移兩位，E加 2，浮00 100，0.00110110(11)其中(11)表示M右移 2 位后移出的最低兩位數(shù)。 尾數(shù)求和0. 0 0 1 1 0 1 1 0 (11)1. 0 1 0 1 0 1 0 01. 1 0 0 0 1 0 1 0 (11)

22、規(guī)格化處理尾數(shù)運算結(jié)果的符號位與最高數(shù)值位同值，應(yīng)執(zhí)行左規(guī)處理，結(jié)果為1.00010101(10)，階碼為00 011。舍入處理采用 0 舍 1 入法處理，則有1. 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1. 0 0 0 1 0 1 1 0判溢出階碼符號位為 00，不溢出，故得最終結(jié)果為2011(0.11101010)1.3 計算機硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.3.1 計算機的硬件組成計算機硬件由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部件組成。1.3.2 計算機硬件的典型結(jié)構(gòu)1、 單總線結(jié)構(gòu)2、以 CPU 為中心的雙總線組成結(jié)構(gòu)3、以存儲器為中心的雙總線組成結(jié)構(gòu)1.4 計算機基本工作原理1.4.1 中

23、央處理機 CPU1、 CPU 的組成(1) 運算器 運算器是對數(shù)據(jù)進行加工處理的部件，它主要完成算術(shù)運算和邏輯運算，完成對數(shù)據(jù)的加工與處理。不同的計算機，運算器的結(jié)構(gòu)也不同，但最基本的結(jié)構(gòu)都是由算術(shù)/邏輯運算單元（ALU）、 累加器 ACC、寄存器組、多路轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)總線等邏輯部件組成。(2) 控制器 計算機能執(zhí)行的基本操作叫做指令，一臺計算機的所有指令組成指令系統(tǒng)。指令由操作碼和地址碼兩部分組成，操作碼指明操作的類型，地址碼則指明操作數(shù)及運算結(jié)果存放的地址。 控制器是由程序計數(shù)器（簡稱 PC）、指令寄存器、指令譯碼器、狀態(tài)條件寄存器、時序產(chǎn)生器、微操作信號發(fā)生器組成例：控制機器指令執(zhí)行的微程

24、序存放在_(52)_中。 (52)A控制存儲器 B指令寄存器 C內(nèi)部存儲器DSRAM執(zhí)行過程： 指令指令寄存器譯碼器（譯出微指令）微操作形成部件（控制存儲器）2、 CPU 的功能(1) 程序控制(2) 操作控制(3) 時間控制(4) 數(shù)據(jù)處理1.5 計算機體系結(jié)構(gòu)計算機體系結(jié)構(gòu)分類：（1） Flynn 分類法 按指令流和數(shù)據(jù)流的不同組織方式，把計算機體系結(jié)構(gòu)分為如下四類：單指令流單數(shù)據(jù)流（SISD）；單指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD）；多指令流單數(shù)據(jù)流（MISD）；多指令流多數(shù)據(jù)流（MIMD）。SISD:如流水線處理機(IS指令流,DS數(shù)據(jù)流,MM主存,PU處理單元,CU控制單元)SIMD： 并行處

25、理機、陣列處理機、向量處理機、相聯(lián)處理機、超標量處理機、超流水線處理機、.MISD 幾條指令對同一個數(shù)據(jù)進行不同處理，實際上不存在MIMD 多處理機系統(tǒng)，包括：緊密偶合：IBM3081、IBM3084、UNIVAC-1100/80松散偶合：D-825、Cmmp、CRAY-2（2）馮式分類法1972 年馮澤云提出用最大并行度來對計算機體系結(jié)構(gòu)進行分類。所謂最大并行度 Pm 是指計算機系統(tǒng)在單位時間內(nèi)能夠處理的最大的二進制位數(shù)。1.5.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中并行性的發(fā)展（1）并行性 并行性包括兩個側(cè)面：同時性和并發(fā)性。同時性是指兩個或兩個以上的事件在同一時刻發(fā)生。 并發(fā)性是指兩個或兩個以上的事件在同一時間

26、間隔內(nèi)連續(xù)發(fā)生。充分利用并行性實現(xiàn)計算機的并行處理，從而提高計算機的處理速度（2）從計算機信息處理的步驟和階段的角度，并行處理可分為：存儲器操作并行；處理器操作步驟并行（流水線處理機）；處理器操作并行（陣列處理機）；指令、任務(wù)、作業(yè)并行（多處理機、分布處理系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡(luò)）。（3）并行性的發(fā)展 從上世紀八十年代開始，在計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上有了很大發(fā)展，相繼出現(xiàn)了精減指令集計算機（RISC）、指令級上并行的超標量處理機、超級流水線處理機、超長指令計算機、多微處理機系統(tǒng)、 數(shù)據(jù)流計算機等。九十年代以來，最主要的發(fā)展是大規(guī)模并行處理（MPP），其中多處理機系統(tǒng)和多計算機系統(tǒng) 是研究開發(fā)的熱點。1.5.2

27、 存儲系統(tǒng)1. 存儲器的層次結(jié)構(gòu)存儲體系結(jié)構(gòu)包括不同層次上的存儲器, 通過適當?shù)挠布④浖袡C地組合在一起形成計算機 的存儲體系結(jié)構(gòu)。三級存儲結(jié)構(gòu)是高速緩存（Cache）、主存儲器（MM）和輔肋存儲器（外存儲器）。2. 存儲器的分類(1)按存儲器所處的位置，可分為內(nèi)存和外存(2)按構(gòu)成存儲器的材料，可分為磁存儲器、半導(dǎo)體存儲器和光存儲器。(3)按工作方式可分為讀寫存儲器和只讀存儲器。只讀存儲器根據(jù)數(shù)據(jù)的寫入方式，這種存儲器又可細分為 ROM、PROM、EPROM、EEPROM、閃速存儲器等類型。(4)按訪問方式可分為按地址訪問的存儲器和按內(nèi)容訪問的存儲器。(5)按尋址方式分類可分為隨機存儲器、

28、順序存儲器和直接存儲器。 隨機存儲器（Random Access Memory，RAM）這種存儲器可對任何存儲單元存入或讀取數(shù)據(jù)，訪問任何一個存儲單元所需的時間是相同的。 順序存儲器（Sequentially Addressed Memory，SAM）訪問數(shù)據(jù)所需要的時間與數(shù)據(jù)所在的 存儲位置相關(guān)，磁帶是典型的順序存儲器。 直接存儲器（Direct Addressed Memory，DAM）介于隨機存取和順序存取之間的一種尋址方式。磁盤是一種直接存取存儲器，它對磁道的尋址是隨機的，而在一個磁道內(nèi)，則是順序?qū)ぶ贰?. 相聯(lián)存儲器 相聯(lián)存儲器是一種按內(nèi)容訪問的存儲器。其工作原理就是把數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)的某

29、一部分作為關(guān)鍵字，將該關(guān)鍵字與存儲器中的每一單元進行比較，找出存儲器中所有與關(guān)鍵字相同的數(shù)據(jù)字。4. 高速緩存 Cache高速緩存 Cache 是用來存放當前最活躍的程序和數(shù)據(jù)，作為主存局部域的副本，其特點是：容 量一般在幾 KB 到幾 MB 之間；速度一般比主存快 5 到 10 倍，由快速半導(dǎo)體存儲器構(gòu)成；其內(nèi)容是主存局部域的副本，對程序員來說是透明的。1.5.2.1 高速緩存的組成Cache 由兩部分組成：控制部分和 Cache 存儲器部分。Cache 存儲器部分用來存放主存的部分拷貝（副本）信息。控制部分的功能是：判斷 CPU 要訪 問的信息是否在 Cache 存儲器中，若在即為命中，若

30、不在則沒有命中。命中時直接對 Cache 存儲器 尋址。未命中時，要按照替換原則，決定主存的一塊信息放到 Cache 存儲器的哪一塊里面。（2）高速緩存中的地址映像方法在 CPU 工作時, 送出的是主存的地址, 而應(yīng)從 Cache 存儲器中讀寫信息。這就需要將主存地址 轉(zhuǎn)換成 Cache 存儲器的地址，這種地址的轉(zhuǎn)換叫做地址映像。Cache 的地址映像有三種方法。1.5.2.2 Cache 的地址映象方法：1.全相聯(lián)映射方式主存中任一塊（頁）都可以映射到cache中的任一塊（頁）上。特點：1） 內(nèi)存不用分區(qū)2） Cache塊內(nèi)字節(jié)數(shù)內(nèi)存塊內(nèi)字節(jié)數(shù)3） Cache標記精確到主存的塊，若主存分20

31、48塊，則需11位標記，（2的11次方） 這種方法可使主存的一個塊直接拷貝到 cache 中的任意一行上，非常靈活。 它的主要缺點是比較器電路難于設(shè)計和實現(xiàn),因此只適合于小容量 cache 采用圖中CACHE8塊（頁），內(nèi)存256塊（頁），每塊512字節(jié)主存：8位9位主存塊號 塊內(nèi)地址Cache塊號 塊內(nèi)地址Cache：3位9位Cache標記：8位（Cache標記精確到主存的塊）2.直接映射方式每個主存塊（頁）只能復(fù)制到固定的某一塊（頁）cache中，其特點是：1） Cache塊內(nèi)字節(jié)數(shù)內(nèi)存塊內(nèi)字節(jié)數(shù)2） cache總塊數(shù)內(nèi)存某區(qū)內(nèi)的塊數(shù)3） 內(nèi)存區(qū)數(shù)內(nèi)存總塊數(shù)/cache總塊數(shù)4） cach

32、e標記精確到主存的區(qū)（組），若主存分128區(qū)，則cache標記7位。 直接映射方式的優(yōu)點是硬件簡單，成本低。 缺點是每個主存塊只有一個固定的cache行位置可存放,容易產(chǎn)生沖突。因此適合大容量 cache 采用。不夠靈活，即使 Cache 存儲器別的許多地址空著也不能占用。這使得 cache 存儲空間得不到充分利 用，并降低了命中率。圖中：主存分64區(qū)，每區(qū)8塊，每塊512字節(jié)Cache分8塊，每塊512字節(jié)主存：6位3位9位主存區(qū)號（標記）主存區(qū)內(nèi)塊號 塊內(nèi)地址Cache塊號 塊內(nèi)地址Cache： 3位9位Cache標記：6位（Cache標記精確到主存的區(qū)）3.組相聯(lián)映射方式它將 cache

33、 分成 u 區(qū)（組），每組 v 塊，這種方式是前兩種方式的折衷方案主存塊存放到哪個組是固定的， 至于存到該組哪一塊是靈活的，即有如下函數(shù)關(guān)系：特點：1） 主存的塊到cache的區(qū)之間映射時，用直接映射，選中cache的某區(qū)后，到cache區(qū)內(nèi)尋找某塊存放時，用全相聯(lián)映射。2） Cache的區(qū)數(shù)主存的區(qū)內(nèi)塊數(shù)3） Cache標記表示主存地址的二進制位數(shù)cache區(qū)號位數(shù)cache塊內(nèi)地址位數(shù)組相聯(lián)映射方式中的每組行數(shù) v 一般取值較小，這種規(guī)模的 v 路比較器容易設(shè)計和實現(xiàn)。而塊在組中的排放又有一定的靈活性,沖突減少 組相聯(lián)映像方式的性能與復(fù)雜性介于直接映像與全相聯(lián)映像兩種方式之間。Cache

34、的命中率除了與地址映像的方式有關(guān)外，還與 cache 的容量有關(guān)。cache 容量大,則命中率 就高，但達到一定容量后，命中率的提高就不明顯了。圖中：主存分256區(qū)，每區(qū)8塊，每塊512字節(jié) Cache分8區(qū)，每區(qū)2塊，每塊512字節(jié)主存： 7位3位1位9位主存區(qū)號（標記） 主存區(qū)內(nèi)塊號 標記塊內(nèi)地址Cache：3位1位9位Cache區(qū)號 Cache區(qū)塊內(nèi)地址內(nèi)塊號Cache標記：8位（表示主存地址的二進制位數(shù)cache區(qū)號位數(shù)cache塊內(nèi)地址位數(shù)）例：某PC主存容量1MB分2048頁，每頁512B，cache容量8kB，分為16頁，每頁512B，用直接映象時，主存應(yīng)被分 組，cache標記

35、 位；若用全相聯(lián)映象，cache標記 位；若用組相聯(lián)映象，cache分8組，每組2頁，主存應(yīng)劃分為 組，每組 頁，此時cache標記 位。解：1）直接映象時：內(nèi)存區(qū)數(shù)內(nèi)存總塊數(shù)/cache總塊數(shù) 得：2048/16128組cache標記精確到主存的區(qū)（組） 得：27128 7位全相聯(lián)映象時：cache標記精確到主存的塊（頁） 得：2112048 11位組相聯(lián)映象時：因為cache分8組，即決定了內(nèi)存每組分8頁，則內(nèi)存組數(shù)2048/8256組，每組8頁，cache標記表示主存地址的二進制位數(shù)cache區(qū)號位數(shù)cache塊內(nèi)地址位數(shù)則cache標記20398位1.5.2.3 替換算法替換算法的目標

36、就是使 Cache 獲得最高的命中率。常用算法有：隨機替換算法。就是用隨機數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生一個要替換的塊號，將該塊替換出去。先進先出算法。就是將最先進入 Cache 的信息塊替換出去。此法簡單但并能說最先進入的并不經(jīng)常用。近期最少使用算法。這種方法是將近期最少使用的 Cache 中的信息塊替換出去。該算法較先進先 出算法要好一些。但此法也不能保證過去不常用將來也不常用。優(yōu)化替換算法。這種方法必須先執(zhí)行一次程序, 統(tǒng)計 Cache 的替換情況。有了這樣的先驗信息， 在第二次執(zhí)行該程序時便可以用最有效的方式來替換，達到最優(yōu)的目的。1.5.2.4 高速緩存的性能分析若 H 為 Cache 的命中率；tc

37、 為 Cache 的存取時間；tm 為主存的訪問時間。則 Cache 存儲器的等 效訪問時間 ta 為：taH tc（1H）tm使用 Cache 存儲器比不使用 Cache 存儲器 CPU 的訪問存儲器的速度提高的倍數(shù) r 可用下式求得：rtmta1.6 存儲器存儲器分為虛擬存儲器和外存儲器。先來了解虛擬存儲器。 虛擬存儲器是由主存、輔存、存儲管理單元及操作系統(tǒng)中存儲管理軟件組成的存儲系統(tǒng)。在程序員使用該存儲系統(tǒng)時，可以使用的內(nèi)存空間可以遠遠大于主存的物理空間。但實際上并不存在那 么大的主存，故稱其為虛擬存儲器。虛擬存儲器分為：1.頁式虛擬存儲器是以頁為信息傳送單位的虛擬存儲器。通常一頁為幾百

38、字節(jié)到幾 K 字節(jié)。為實現(xiàn)頁式管理， 需建立虛頁與實頁間的關(guān)系表，稱為頁表；在頁表及變換軟件的控制下，可將程序的虛擬地址變換 為主存的實地址。頁式管理的優(yōu)點是：頁表硬件少，查表速度快；主存零頭少。其缺點是：分頁無 邏輯意義，不利于存儲保護。2.段式虛擬存儲器 是以程序的邏輯結(jié)構(gòu)形成的段，（如某一獨立程序模塊、子程序等）作為主存分配依據(jù)的一種段式虛擬存儲器的管理方法。為實現(xiàn)段式管理，需建立段表；在段地址變換機構(gòu)及軟件的控制下， 可將程序的虛擬地址變換為主存的實地址。 優(yōu)點：段的界限分明；支持程序的模塊化設(shè)計；易于對程序段的編譯、修改和保護；便于多道程序 的共享。 缺點：因為段的長度不一，主存利用

39、率不高，產(chǎn)生大量內(nèi)存碎片，造成浪費；段表龐大，查表速度慢。3.段頁式虛擬存儲器 是頁式虛擬存儲器和段式虛擬存儲器兩者相結(jié)合的一種管理方式。在這種虛擬存儲器中，程序按邏輯結(jié)構(gòu)分段，每一段再分成若干大小固定的頁。程序的調(diào)入調(diào)出是按頁進行的，而程序又可 按段實現(xiàn)保護。因此，這種管理方式兼有前兩者的優(yōu)點, 只是地址變換速度比較慢。外存儲器外存儲器用來存放暫時不用的程序和數(shù)據(jù)，并且以文件的形式存儲。CPU 不能直接訪問外存中的程序和數(shù)據(jù)，只有將其以文件為單位調(diào)入主存方可訪問。外存儲器由磁表面存儲器（如磁盤、磁帶）及光盤存儲器構(gòu)成。1.7 精簡指令集計算機（RISC）人們對典型的 CISC 執(zhí)行程序中指令

40、使用頻度進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，指令系統(tǒng)中只有大約 20的指 令被經(jīng)常使用，其使用頻度達 80，而且這些指令都是一些加、傳送、轉(zhuǎn)移等最簡單的指令。也就 是說大多數(shù)的復(fù)雜指令只有 20的使用概率。若只保留 20的最簡單的指令，使指令盡可能簡單，從而設(shè)計一種硬件結(jié)構(gòu)十分簡單、執(zhí)行 速度很高的 CPU。這就是精簡指令集計算機（RISC）。RISC 的特點RISC 簡化了 CPU 的控制器，同時提高了處理速度，它的特點列如下：（1）指令種類少。（2）指令長度固定，指令格式少。（3）尋址方式少。（4）設(shè)置最少的訪內(nèi)指令。（5）在 CPU 內(nèi)部設(shè)置大量的寄存器。（6）非常適合流水線操作。再來了解一下關(guān)于指令流水線的

41、知識：（1）流水的基本概念：流水線技術(shù)是將一個重復(fù)的時序分解成若干個子過程，而每一個子過程都可 有效地在其專用功能段上與其他子過程同時執(zhí)行。若把指令的執(zhí)行過程進一步細分為取指令、指令譯碼、取操作數(shù)和執(zhí)行四個子過程,并改進運算器的結(jié)構(gòu)以加快其執(zhí)行子過程，則得到圖所示的流水處理的時空圖。例：若指令流水線把一條指令分為取指、分析和執(zhí)行三部分，且三部分的時間分別是t取指2ns，t分析2ns，t執(zhí)行1ns。則100條指令全部執(zhí)行完畢需_(4)_ns。(4)A.163B.183C.193 D.203解：這種情況下，完成N條（本題100條）指令所需要的時間：t取指maxt取指，t分析max t取指，t分析，

42、t執(zhí)行（N2）max t分析，t執(zhí)行t執(zhí)行2229821203ns推論：上例是一條指令分三部分，若分四部分，公式是什么樣子呢？（思考）t1maxt1，t2max t1，t2，t3max t1，t2，t3，t4（N3）max t2，t3，t4maxt3，t4t41.8 多處理機與并行處理1. 多處理機 多處理機系統(tǒng)是有多臺處理機組成的系統(tǒng)，每臺處理機有屬于自己的控制部，可以執(zhí)行獨立的程序，共享一個主存儲器和所有的外部設(shè)備。它是多指令流多數(shù)據(jù)流計算機。在多處理機系統(tǒng)中， 機間的互連技術(shù)決定著多處理機的性能。多處理機之間的互連，要滿足高頻帶、低成本、連接方式 的多樣性以及在不規(guī)則通信情況下連接的無沖

43、突性。2并行處理機 與采用流水結(jié)構(gòu)的單機系統(tǒng)都是單指令流多數(shù)據(jù)流計算機，但它們也有區(qū)別，并行處理機采用資源重復(fù)技術(shù)，而采用流水結(jié)構(gòu)的單機系統(tǒng)則采用時間重疊技術(shù)。 并行處理機的兩種典型結(jié)構(gòu)：具有分布存儲器的并行處理機結(jié)構(gòu)和具有共享存儲器的并行處理機結(jié)構(gòu)。1.9 安全性、可靠性與系統(tǒng)性能評測基礎(chǔ)知識1.9.1 計算機可靠性計算機系統(tǒng)的可靠性是指從它開始運行（t=0）到某時刻這段時間內(nèi)能正常運行的概率，用 R 表示。所謂失效率是指單位時間內(nèi)失效的元件數(shù)與元件總數(shù)的比例，以 表示，當為常數(shù)時，可靠性與失效率的關(guān)系為： 兩次故障之間系統(tǒng)能正常工作的時間的平均值稱為平均無故障時間（MTBF）：計算機可靠性

44、模型 常見的系統(tǒng)可靠性數(shù)學(xué)模型有以下幾種:(1) 串聯(lián)系統(tǒng)：假設(shè)一個系統(tǒng)由個子系統(tǒng)組成，當且僅當所有的子系統(tǒng)都能正常工作時，系統(tǒng)才能 正常工作，這種系統(tǒng)稱為串聯(lián)系統(tǒng)。R=R1R2Rn 【例】 設(shè)計算機系統(tǒng)由 CPU、存儲器、I/O 三部分組成，其可靠性分別為 0.95，0.90 和 0.85。求計 算機系統(tǒng)的可靠性。解：R = R1R2R3 = 0.950.900.85 = 0.73計算機系統(tǒng)的可靠性為 0.73。(2)并聯(lián)系統(tǒng)：假如一個系統(tǒng)由個子系統(tǒng)組成，只要有一個子系統(tǒng)正常工作，系統(tǒng)就能正常工作，這 樣的系統(tǒng)稱為并聯(lián)系統(tǒng)。R=1-(1-R1)(1-R2)(1-Rn)【例】 設(shè)一個系統(tǒng)由三個

45、相同子系統(tǒng)構(gòu)成，其可靠性為 0.9，平均無故障時間為 10000 小時，求系統(tǒng)的可靠性和平均無故障時間。解：R1=R2=R3=0.9 系統(tǒng)可靠性 R=1-(1-R1)3=0.999 系統(tǒng)平均無故障時間 MTBF 為:(小時）1.9.2 計算機故障診斷與容錯1計算機故障診斷技術(shù)(1) 計算機的故障 根據(jù)計算機故障表現(xiàn)出的特點，可以分為永久性、間歇性及瞬時性三類。 永久性故障：永久性故障表現(xiàn)出穩(wěn)定性及持續(xù)性的特征，如元器件的損壞、電路的斷線或短路、 程序編寫的錯誤等，它的特點是故障可以重復(fù)出現(xiàn)。 間歇性故障：間歇性故障表現(xiàn)出不穩(wěn)定性及對系統(tǒng)狀態(tài)具有依賴性的特征，此時可能表現(xiàn)出機器 時好時壞的現(xiàn)象。

46、 瞬時性故障：瞬時性故障是由偶然原因引起的短暫故障，一般無衙修復(fù)就能恢復(fù)正常。但若頻繁 出現(xiàn)，也會影響工作；所以需要查出故障原因，以消除影響。(2) 故障診斷方法 故障診斷包括故障檢測和故障定位兩個方面。故障檢測：測試并確定計算機系統(tǒng)有無故障的過程；故障定位：判定故障發(fā)生在某個子系統(tǒng)、功能塊或器件的過程 故障診斷的主要方法有下述三種： 對電路直接進行測試的故障定位測試法；“檢查診斷程序”法：用機器語言寫的“檢查診斷程序”來進行診斷的方法是一種功能測試法。 微診斷法：在微程序控制的計算機中用微指令來對系統(tǒng)進行診斷叫做微診斷法。2計算機容錯技術(shù) 容錯是采用冗余方法來消除故障影響。針對硬件，有時間冗余和元器件冗余兩種方法。時間冗余：對同一計算進行重復(fù)運算，并對結(jié)果進行比較，或進行驗算等，這種方法對解決 偶然性故障比較有效。元器件冗余：利用附加的硬件來保證在局部有故障的情況下系統(tǒng)能正常工作。(1) 簡單的雙機備份 熱備份（雙重系統(tǒng)） 冷備份（雙工系統(tǒng)）(2) 操作系統(tǒng)支持的雙機容錯：該結(jié)構(gòu)的特點是系統(tǒng)內(nèi)包括雙處理器、雙存儲器、雙輸入輸出控制 器、不