2012年計算機考研基礎班講義專題01：計算機系統(tǒng)知識

專題ー:計算機系統(tǒng)基礎1、計算機硬件基礎知識:1.1計算機系統(tǒng)結(jié)構計算機的發(fā)展歷史:1946年,世界上第一臺電子計算機ENIAC出現(xiàn),之后經(jīng)歷了5個發(fā)展階段:電子者晶體管~メ集成電路「大規(guī)模集成電路レイ超大規(guī)模集成電路馮式結(jié)構計算機的組成部分:存儲器、運算器、控制器、輸入設備和輸出設備。強化的概念:計算機的工作過程:一般是由用戶使用各種編程語言把所需要完成的任務以程序的形式提交給計算機,然后翻譯成計算機能直接執(zhí)行的機器語言程序,在計算機上運行。計算機系統(tǒng)可以由下面的模型表示:ア級語言機器匸編百言機器操作系統(tǒng)機器物理機器計算機系統(tǒng)結(jié)構(computerarchitecture)1指機器語言級機器(物理機器)的系統(tǒng)結(jié)構,它主要研究軟件、硬件功能分配,確定軟件、硬件界面(機器級界面),即從機器語言程序員或編譯程序設計者的角度所看到的機器物理系統(tǒng)的抽象。計算機組成(computerorganization)：是指計算機系統(tǒng)的邏輯實現(xiàn),包括機器內(nèi)部數(shù)據(jù)流和控制流的組成以及邏輯設計等,其目標是合理的把各種部件、設備組成計算機,以實現(xiàn)特定的系統(tǒng)結(jié)構,同時滿足所希望達到的性能價格比。計算機頭現(xiàn)(computerimplementation)是指計算機組成的物理實現(xiàn)。這幾個概念之間的關系可以用下面的圖加以說明:計苴機系統(tǒng)結(jié)構| ；NM計苴機組成］1■；N J計算機物理實現(xiàn)計算機系統(tǒng)的分類:Flynn分類、馮氏分類、Handler分類和Kuck分類;Flynn分類:根據(jù)不同指令流ー數(shù)據(jù)流組織方式把計算機系統(tǒng)分成4類。(重點理解)指令流:機器指令的執(zhí)行序列;數(shù)據(jù)流：由指令流調(diào)用的數(shù)據(jù)序列,包括輸入數(shù)據(jù)和中間結(jié)果;多倍性:在系統(tǒng)性能的瓶頸部件上同時處于同樣執(zhí)行階段的指令和數(shù)據(jù)的最大可能個數(shù);單指令流單數(shù)據(jù)流SISD——如單處理機單指令流多數(shù)據(jù)流SIMD——如相聯(lián)處理機多指令流單數(shù)據(jù)流MISD——如流水線計算機多指令流多數(shù)據(jù)流MIMD——如多處理機馮氏分類:以最大并行度Pm把計算機系統(tǒng)結(jié)構分為4類,其中字寬W表示在ー個字中同時處理的二進制位數(shù),位寬B表示在ー個位片中能同時處理的字數(shù)。字串位串WSBS(serial)(parallel)字并位用WPBS字串位并WSBP字并位并WPBPHandler分類:根據(jù)并行度和流水線處理的程度將計算機系統(tǒng)結(jié)構分成3個層次程序控制部件PCU的個數(shù)K算術邏輯部件ALU或處理部件PE的個數(shù)DIII,每個算術邏輯部件包含基本邏輯線路ELC的套數(shù)WKuck分類:與Flynn分類法類似,根據(jù)指令流、執(zhí)行流和多倍性來分類。單指令流單執(zhí)行流SISE——典型的單處理機單指令流多執(zhí)行流SIME——帶多操作部件的處理機多指令流單執(zhí)行流MISE——帶指令級多道程序的單處理機多指令流多執(zhí)行流MIME——多處理機計算機不同級別程序員所見的計算機部分,透明性的概念:透明性:ー種實際存在的事物或?qū)傩?從某個角度看似乎不存在的現(xiàn)象。低層機器級的概念結(jié)構和功能特性對于高級語言的程序員來說是透明的。1.2計算機中的編碼：⑴二進制、十進制和十六進制等常用數(shù)制及其相互轉(zhuǎn)換:由于計算機的存儲器和寄存器是兩態(tài)部件,所以各種信息在計算機中是以二進制的方式存儲和計算的。數(shù)制是由基數(shù)和基數(shù)個不同的數(shù)碼組成的。BCD碼:十進制的二進制表示,0：0000 1：0001 2：0010 3：00114：0100 5：01016：0110 7：0111 8：1000 9：1001十進制的202可以表示成BCD碼為001000000010；十六進制くー》二進制:十六進制表示法是用16位二進制數(shù)字組成的,每4位二進制數(shù)字表示一位十六進制數(shù),十六進制的數(shù)字表示從0-9,A,B,C,D,E,F共十六個字符.十六進制與二進制相互轉(zhuǎn)換就是一位十六進制字符與四位二進制數(shù)字的相互轉(zhuǎn)換過程.十進制くー》二進制:十進制向二進制轉(zhuǎn)換分兩步進行:首先把該數(shù)的整數(shù)部分和小數(shù)部分轉(zhuǎn)換為二進制數(shù);然后再把這兩部分合并起來即可.十進制的整數(shù)部分向二進制轉(zhuǎn)換是通過對十進制不斷的除2取余數(shù)得到,十進制小數(shù)部分通過乘2取整的方法獲得,直到小數(shù)部分為0,所得到的整數(shù)部分就形成了二進制編碼;同樣的,二進制向十進制轉(zhuǎn)換如下所示:十進制數(shù)N二(RR5..RiRoR-i...R-m)二 Rn*2n+Rn-i*2n-1+...+艮*2+旦+區(qū)1*2二..R』?2一"1ハ進制くー》二進制:二進制向八進制轉(zhuǎn)換的方法是從小數(shù)點開始分別向左右每3位二進制數(shù)編成一組,若不夠3位,則小數(shù)點左側(cè)的最高位和右側(cè)的最低位用O補充,每ー組用對應的ハ進制的數(shù)碼表示即可;ハ進制向二進制轉(zhuǎn)換的方法是從小數(shù)點開始,把每一位ハ進制的數(shù)碼轉(zhuǎn)換成對應的3位二進制即可.其小數(shù)點左側(cè)的最高位或右側(cè)的最低位的。可以省去.⑵計算機中的二進制數(shù)運算方法:定點數(shù)運算:要判斷是否溢出?()加法:［X+Y］=(兇補+［丫］補)MOD2減法:［X-Y］=(田］補+［ー丫］補)MOD2乘法:采用原碼比較方便,使用原碼一位乘法來求兩個定點數(shù)的乘積。運算規(guī)則為:乘積的符號位等于乘數(shù)和被乘數(shù)的符號位進異或;乘積的值等于兩數(shù)絕對值之積,即乘數(shù)和被乘數(shù)的絕對值進行移位相加;除法:采用原碼比較方便。運算規(guī)則為:商的符號位同定點數(shù)原碼乘法的處理方法,由兩數(shù)的符號位進行異或兩數(shù)的絕對值部分進行相除。浮點運算1)加減法:對階尾數(shù)進行加、減運算規(guī)格化舍入溢出判斷2)乘除法:浮點相乘,其積的階碼為兩數(shù)階碼相加,積的尾數(shù)為兩尾數(shù)相乘。浮點數(shù)相除,其商的階碼為兩數(shù)階碼之差,商的尾數(shù)為兩尾數(shù)相除。其結(jié)果都需要進行規(guī)格化處理,同時還需要進行溢出判斷。⑶邏輯代數(shù)的基本運算和邏輯表達式的化簡:邏輯表達式就是以邏輯運算符把若干邏輯變量連接在ー起表示某種關系的表達式。ー個邏輯函數(shù)往往有多種不同的表達式。可以利用其本邏輯運算規(guī)律和一些常用的邏輯恒等式對邏輯表達式進行合并項、吸收項、配項、消去項等操作來化簡?；镜倪壿嬤\算有“與”、“或”、“非”、“異或”。常用的邏輯運算公式:交換律:A+B=B+AA*B=B*A結(jié)合律:A+(B+C)=(A+B)+C分配律:A*(B+C)=A*B+A*CA+(B*C)二(A+B)*(A+C)反演律:A+B=A*B重疊律:A+A=AA*A二A—互補律:A+A=1A*Aニ。ー對合律：A二AOT律:O+A=AA*Aニ。(4)定點數(shù)與浮點數(shù)的機內(nèi)表示:定點數(shù)的表示方法:定點整數(shù)：(符號位)(最高數(shù)據(jù)位）。。。（最低數(shù)據(jù)位）定點小數(shù):（符號位）小數(shù)點（最高數(shù)據(jù)位）。。。（最低數(shù)據(jù)位）浮點數(shù)表示方法:浮點數(shù)編碼:符號位ー階碼一尾數(shù),階碼由移碼表示,尾數(shù)由補碼或原碼表示;規(guī)格化處理:以純小數(shù)表示尾數(shù),分為原碼和補碼;⑸原碼、補碼、反碼、移碼;數(shù)值數(shù)據(jù)的機器內(nèi)表示形式稱為機器碼,機器碼所代表的數(shù)值為該機器碼的真值。原碼表示:[X]=X或2幀づ;+0和一〇的表示不同;（定點整數(shù)）[X]=x 或1-X； （定點小數(shù)）+0=00000000 -0=100000〇〇 （2的n次方一1個編碼）補碼表示: [X]=x或2n+X； （定點整數(shù)）[X]=X 或2+X； （定點小數(shù)）0的編碼唯一;00000000 （2的n次方個編碼）-1=10000000 （小數(shù)） -1=11111111（整數(shù)）反碼表示: [X]=X 或（2-1）+X； （定點整數(shù)）[x]=x或（2-2"）+X （定點小數(shù)）+0=00000000 -0ニ11111111 （2的n次方-1個編碼）移碼表示:[X]=X或2的（n-1）次方+X；0表示方法唯一10000000 （定點整數(shù)）[X]=1+X；（定點小數(shù)）0的編碼唯一:10000000 （2的n次方個編碼）ASCH碼及漢字編碼等常用的編碼：ASCI!碼采用?bit編碼,共有128種編碼;表示128個不同的字符;計算機里存儲和傳送單位通常使用Byte,所以7位的ASCI!碼也用ー個字節(jié)來表示,最高一位沒有用,通常也添〇,也可以把它作為校驗位或用來擴展字e集。EBCDIC碼采用8bit編碼,共有256個編碼,表示256個不同字符;漢字編碼:數(shù)字編碼:每個漢字分配ー個數(shù)字碼,用以代表漢字;拼音碼:用每個漢字的漢語拼音符號作為漢字的輸入編碼;字形碼:以漢字的形狀特點編碼,例如五筆字型編碼漢字存儲:以內(nèi)碼形式存放,以連續(xù)兩個字節(jié)表示,兩個字節(jié)的最高位均為!,漢字的內(nèi)碼是在計算機內(nèi)處理漢字信息時采用的機內(nèi)代碼,把漢字的輸入編碼稱為外碼。漢字輸出:漢字的點陣字型碼,點陣的密度決定了漢字的美觀程度,漢字需要大量的存儲空間,例如16*16點陣,每個漢字要占用16*16=32Byte(7)數(shù)據(jù)校驗碼:計算機在存儲和傳送數(shù)據(jù)過程中,為了保證數(shù)據(jù)的準確性,一般都要進行數(shù)據(jù)校驗和糾錯。通常使用校驗碼的方法來檢測數(shù)據(jù)是否出錯。其基本思想是把數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)的編碼區(qū)分為合法編碼和錯誤編碼。使用校驗碼來查錯,涉及到ー個重要概念一ー碼距。它是指ー個編碼系統(tǒng)中任意兩個合法編碼之間至少有多少個二進制位不同。碼距為1的編碼是不能發(fā)現(xiàn)錯誤的。常用的校驗碼有3種?！媾夹ｒ灤a:不能發(fā)現(xiàn)偶數(shù)位錯誤該編碼通過增加一位校驗位來使編碼中1的個數(shù)為奇數(shù)（奇校驗）或者為偶數(shù)（偶校驗）從而使碼距變?yōu)?,來檢測數(shù)據(jù)代碼中奇數(shù)出錯的編碼。因為其利用的是編碼中1的個數(shù)的奇偶性作為依據(jù),所以不能發(fā)現(xiàn)偶數(shù)位錯誤。校驗位的添加方法有三種:水平奇偶校驗碼:對每個數(shù)據(jù)的編碼添加校驗位垂直奇偶校驗碼:對ー組數(shù)據(jù)的相同位添加一個校驗位;? 水平垂直奇偶校驗碼:先對ー組數(shù)據(jù)垂直校驗,所得結(jié)果再添加一位水平校驗位;▲海明校驗碼:2*Ti+そ也是利用奇偶性來檢錯和糾錯,通過在數(shù)據(jù)之間插入k個校驗位,擴大數(shù)據(jù)編碼的碼距,從而有能力檢測出n位錯,并能糾正1位或n位錯?！h(huán)校驗碼（CRC）校驗碼:采用模2運算,可檢測所有等于、小于校驗位長度的突發(fā)錯,利用生成多項式為k個數(shù)據(jù)位產(chǎn)生r個校驗位進行編碼,其編碼長度為n=k+rk,又稱為（n,k）碼,生成的多項式與被校驗的數(shù)據(jù)無關。概念:編碼效率二（log2（碼字數(shù)））/總位數(shù):例題:在無線電通信中常采用7中取3定比碼,它規(guī)定碼字長為7位,并且其中總有且僅有3個“1”。這種碼的編碼效率為1唯35"；35二d舉ー個例子:關于二進制的編碼的考試題目根據(jù)“冗余校驗”的思想,碼距可用來判斷使校驗碼制冗余的程度,并估價其查錯、糾錯能力?！?421”碼的碼距為A,因而它B〇若一組海明（Hamming）碼有效信息位k二4,校驗位廠3,則其碼距為C,用它能夠發(fā)現(xiàn)D位錯,并可糾正E位錯。TOC\o"1-5"\h\zA、C、D、E：①〇 ②1 ③2 ④3 ⑤4 @7B：①能發(fā)現(xiàn)1位錯②能糾正1位錯③能發(fā)現(xiàn)并糾正1位錯④不能查錯、糾錯本題主要考查數(shù)據(jù)校驗方法的相關知識。在這部分知識點中有個很重要的概念 碼距。碼距是指ーl個編碼系統(tǒng)中任意兩個合法編這里有個定理,即若一種校驗碼合法碼字集的碼矩為2d+l,則它能夠發(fā)現(xiàn)2d位錯,并能糾正d位錯A:2B:4C:4D:3E:23存儲器系統(tǒng):概述:計算機中的存儲系統(tǒng)是用來保存數(shù)據(jù)和程序的。對存儲器最基本的要求就是存儲容量要大、存取速度快、成本價格低。為了滿足這ー要求,提出了多級存儲體系結(jié)構。一般可分為高速緩沖存儲器、主存、外存3個層次,有時候還包括CPU內(nèi)部的寄存器以及控制存儲器。衡量存儲器的主要因素:存儲器訪問速度、存儲容量和存儲器的價格;存儲器的介質(zhì):半導體、磁介質(zhì)和光存儲器。存儲器的組成:存儲芯片+控制電路（存儲體+地址寄存器+數(shù)據(jù)緩沖器+時序控制）;? 存儲體系結(jié)構從上層到下層昌CPU越來越遠、存儲量越來越大、每位的價格越來越便宜,而且訪問的速度越來越慢存儲器系統(tǒng)分布在計算機各個不同部件的多種存儲設備組成,位于CPU內(nèi)部的寄存器以及用于CU的控制寄存器。內(nèi)部存儲器是可以被處理器直接存取的存儲器,又稱為主存儲器,外部存儲器需要通過I/O模塊與處理器交換數(shù)據(jù),又稱為輔助存儲器,彌補CPU處理器速度之間的差異還設置了CACHE,容量小但速度極快,位于CPU和主存之間,用于存放CPU正在執(zhí)行的程序段和所需數(shù)據(jù)。整個計算機的存儲器體系結(jié)構可以用下面的圖來說明:通常衡量主存容量大小的單位是字節(jié)或者字,而外存的容量則用字節(jié)來表示。字是存儲器組織的基本單元,ー個字可以是一個字節(jié),也可以是多個字節(jié)。信息存取方式:信息的存取方式影響到存儲信息的組織,常用的有4種,?順序存取存儲器的數(shù)據(jù)是以記錄的形式進行組織,對數(shù)據(jù)的訪問必須按特定的線性順序進行。磁帶存儲器的存取方式就是順序存取。?直接存取共享讀寫裝置,但是每個記錄都有一個唯ー的地址標識,共享的讀寫裝置可以直接移動到目的數(shù)據(jù)塊所在位置進行訪問。因此存取時間也是可變的。磁盤存儲器采用的這種方式。?隨機存取存儲器的每一個可尋址單元都具有唯一地址和讀寫裝置,系統(tǒng)可以在相同的時間內(nèi)對任意ー個存儲單元的數(shù)據(jù)進行訪問,而與先前的訪問序列無關。主存儲器采用的是這種方式。?相聯(lián)存取也是一種隨機存取的形式,但是選擇某ー單元進行讀寫是取決于其內(nèi)容而不是其地址。Cache可能采用該方法進行訪問。衡量存儲器系統(tǒng)性能的指標有以下幾種:存取時間:一次讀/寫存儲器的時間存儲器帶寬:每秒能訪問的位數(shù)。存儲器周期:兩次相鄰的存取之間的時間數(shù)據(jù)傳輸率:每秒鐘數(shù)據(jù)傳輸?shù)腷it數(shù)目〇主存儲器:主存儲器是指能由CPU直接編程訪問的存儲器,它存放需要執(zhí)行的程序與需要處理的數(shù)據(jù)。因為它通常位于所謂主機的范疇,常稱為內(nèi)存。如果內(nèi)存的地址為n位,容量為2的n次。主存儲器的種類很多,主要有:隨機存儲器(RAM)：可以讀出和寫入,隨機訪問存取,斷電消失只讀存儲器(ROM):只能讀出原有的內(nèi)容,不能寫入新內(nèi)容可編程ROM(PROM)可擦除PROM(EPROM)電可擦除PROM(E2PROM)閃速存儲器(flashmemory)實際的存儲器總是由一片或多片存儲芯片配以控制電路組成的,其容量往往是WXB來表示。W表示該存儲器的存儲單元(word)的數(shù)量,而B表示每ー個word由多少bit組成。輔助存儲器:由于主存容量有限(受地址位數(shù)、成本、速度等因素制約),在大多數(shù)計算機系統(tǒng)中設置ー級大容量存儲器作為對主存的補充與后援。它們位于主機的邏輯范疇之外,常稱為外存儲器,簡稱外存。外存的最大特點是容量大、可靠性高、價格低,主耍有兩大類。?磁表面存儲器:這類外存儲器主要包括磁帶和磁盤存儲器?！艓Т艓Т鎯υO備是ー種順序存取的設備,存取時間較長,但存儲容量大。磁帶上的信息是以文件塊的形式存放的,而且便于攜帶,價格便宜。按它的讀寫方式可分為兩種:啟停式和數(shù)據(jù)流?！疟P存儲器磁盤存儲器是目前應用最廣泛的外存儲器。它存取速度較快,具有較大的存儲容量,適用于調(diào)用較頻繁的場合,往往作為主存的直接后援,為虛擬存儲提供了物理基礎?？煞譃檐洷P和硬盤。?光存儲器光盤存儲器是利用激光束在記錄表面存儲信息,根據(jù)激光束的反射光來讀出信息。按照它的記錄原理可分為形變型、相變型（晶相結(jié)構）和磁光型。有CD、CD-ROM>WORM、EOD等。CD-ROM：只讀光盤,只能一次性寫入數(shù)據(jù),由生產(chǎn)廠家將數(shù)據(jù)寫入,永遠保存CD-WO：可由用戶寫入一次,寫入后不能修改或擦除,但是可以多次讀出CD-MO：可改寫光盤,可以讀出也可以寫入數(shù)據(jù);光盤存儲器的特點:大容量、標準化、相容性、持久性、實用性輔助存儲器方面的計算:.存儲容量為capacity=n*t*s*b,n為存放數(shù)據(jù)的總盤面數(shù);t為每面的磁道數(shù);s為每道的扇區(qū)數(shù);b為每個扇區(qū)存儲的字節(jié)數(shù).尋道時間為磁頭移動到目標磁道所需的時間。.等待時間為待讀寫的扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下方所用的時間。一般用磁道旋轉(zhuǎn)一周所用的時間的一半作為平均等待時間。.磁盤存取時間二尋道時間+等待時間。.位密度：沿磁道方向,單位長度存儲二進制信息的個數(shù);.道密度：沿磁盤半徑方向,單位長度

內(nèi)磁道的數(shù)目;.數(shù)據(jù)傳輸速率R=B/T,B為ー個磁道上記錄的字節(jié)數(shù),T為每轉(zhuǎn)一周的時間.磁帶機的容量計算:(這些公式要熟悉記住)數(shù)據(jù)傳輸率二磁帶記錄密度?帶速;數(shù)據(jù)塊長度二字節(jié)數(shù)?塊因子/記錄密度+塊間間隔;讀N條記錄所需時間T二啟停時間+有效時間+間隔時間;例題:假設ー個有3個盤片的硬盤,共有4個記錄面,轉(zhuǎn)速為7200轉(zhuǎn)/分,盤面有效記錄區(qū)域的外直徑為30cm,內(nèi)直徑為10cm,記錄位密度為250位/mm,磁道密度為8道/mm,每磁道分16個扇區(qū),每扇區(qū)512字節(jié),則該硬盤的非格式化容量和格式化容量約為_(58)_,數(shù)據(jù)傳輸率約為_(58)_若一個文件超出ー個磁道容量,剩下的部分(58)A.120MB和(58)A.120MB和100MBB.30MB和C.60MB和D.22.5MB25MB50MB和25MB

(59)A.2356KB/s(59)A.2356KB/s(60)A.存于同一盤面的其它編號的磁(60)A.存于同一盤面的其它編號的磁道上B,存于其它盤面的同一編號的磁道上C,存于其它盤面的其它編號的磁道D.存放位置隨機上58：B59:D60:BRAID存儲器(廉價磁盤冗余陣列):基本思想是用多個小的磁盤存儲器,通過合理的分布數(shù)據(jù),支持多個磁盤同時進行訪問,從而改善磁盤存儲器的性能。其采用的主要技術:分塊技術:把數(shù)據(jù)分塊寫到陣列中的磁盤上;交叉技術:對分布式的數(shù)據(jù)采用交叉式進行讀寫,提高訪問速度;重聚技術:對多個磁盤空間重新編址,數(shù)據(jù)按照編址后的空間存放;主要特點如下：物理上多個磁盤,但操作系統(tǒng)看是ー個邏輯磁盤;數(shù)據(jù)分布在磁盤陣列中的磁盤存儲器上;采用冗余技術和校驗技術提高可靠性,可恢復數(shù)據(jù);RAID速度快、容量大、功耗低、價格便宜、容易擴展。RAIDO：無冗余、無校驗,具有最高的I/O性能和最高的磁盤空間利用率RAID1：磁盤鏡像、磁盤利用率50%,具有最高的安全性RAID2：海明碼糾錯、數(shù)據(jù)分塊、并行訪問、適合大批量數(shù)據(jù)、已很少使用RAID3：奇偶校驗、數(shù)據(jù)分塊、并行訪問、單獨校驗盤RAID4：奇偶校驗、獨立存取、單獨校驗盤、適合訪問頻繁、傳輸率低RAID5：獨立存取、無單獨校驗盤、適合訪問頻繁、傳輸率低Cache存儲器:（對系統(tǒng)和應用程序員都是透明的）（重點）Cache位于主存儲器與CPU通用寄存器組之間,全部由硬件來調(diào)度,用于提高CPU的數(shù)據(jù)I/O效率,對程序員和系統(tǒng)程序員都是透明的。Cache容量小但速度快,它在計算機的存儲體系中是訪問速度最快的層次。使用Cache改善系統(tǒng)性能的依據(jù)是程序的局部性原理,即程序的地址訪問流有很強的時序相關性,未來的訪問模式與最近已發(fā)生的訪問模式相似。根據(jù)這一局部性原理,把主存儲器中訪問概率最高的內(nèi)容存放在Cache中,當CPU需要讀取數(shù)據(jù)時就首先在Cache中查找是否有所需內(nèi)容,如果有則直接從Cache中讀取;若沒有再從主存中讀取該數(shù)據(jù),然后同時送往CPU和Cache〇系統(tǒng)的平均存儲周期t3與命中率h有很密切的關系,如下的公式:t3=hXti+(l-h)Xt2其中,3表示Cache的周期時間,t2表示主存的周期時間。當CPU發(fā)出訪存請求后,存儲器地址先被送到Cache控制器以確定數(shù)據(jù)是否已在Cache中,若命中則直接對Cache進行訪問,否則直接進行主存訪問。Cache的地址映射是指把主存地址空間映射到Cache地址空間,Cache和主存都使用同樣大小的塊為單位。Cache中常見的映射方法有三種。直接映射:ー對ー,（不需要替換算法）全相聯(lián)映射:多對多組相聯(lián)映射：將塊劃分成組,主存中的ー組與Cache相對應,根據(jù)高位地址標志符來訪問數(shù)據(jù),組相聯(lián)可以允許相同的Block和word標志,而tag標志不同。隨著程序的執(zhí)行,訪問頻繁地區(qū)將逐漸遷移,Cache中的內(nèi)容逐漸變得陳舊,訪問命中率下降,就需要更新內(nèi)容。常用的替換算法有三種。隨機淘汰法：先進先出法FIFO：近期最少使用法LRU：對于這個算法可以從整體上把握,每個的優(yōu)點、缺點,不需要記算法的過程。另外,為了保證環(huán)存在Cache中得數(shù)據(jù)與主存中的內(nèi)容一致,對寫操作來說有以下幾種方法:寫直達:同時寫回:標記法例題:?一般來說,Cache的功能一(53)。某32位計算機的cache容量為16KB,cache塊的大小為!6B,若主存與cache的地址映射采用直接映射方式,則主存地址為1234E8F8(十六進制)的單元裝入的cache地址為_(54)_。在下列cache替換算法中,平均命中率最高的是—(55)__。A.全部由軟件實現(xiàn)B,全部由硬件實現(xiàn)C.由硬件和軟件相結(jié)合實現(xiàn)D.有的計算機由硬件實現(xiàn),有的計算機由軟件實現(xiàn)A.00010001001101(二進制)01001000110100(二進制)10100011111000(二進制)11010011101000(二進制)A.先入后出(FILO)算法B,隨機替換(RAND)算法C.先入先出(FIFO)算法D.近期最少使用(LRU)算法虛擬存儲器:（重點）（對應用程序員透明）虛擬存儲系統(tǒng)的作用是給程序員ー個更大的虛擬的存儲空間,其容量可遠遠超過主存儲器的容量,而與輔助存儲器容量相當。我們提供給用戶的這個存儲器,即在軟件編程上可以使用的存儲器,就稱為虛擬存儲器。它的容量即虛擬存儲空間,簡稱虛擬空間。面向虛擬存儲器的編程地址稱為虛擬地址,或稱為邏輯地址。與主存和輔助存儲器地址相對應。為了實現(xiàn)虛擬存儲器,需將虛擬存儲空間與物理實存空間,按一定的格式分區(qū)組織管理,根據(jù)管理的方式不同可以分為三種虛擬存儲器:頁式、段式和段頁式。頁式管理:段式管理:段頁式管理:此外還可以增加一個小容量的高速存儲器實現(xiàn)ー種快表查詢,而快表和慢表也構成了兩級存儲器系統(tǒng)另外,與Cacheー樣,虛擬存儲器系統(tǒng)還需采用一定的調(diào)度策略實現(xiàn)主存內(nèi)容的變換,使當前需要的程序和數(shù)據(jù)都在主存之中。常用的淘汰算法有:FIFO算法:選擇最先進入主存的頁面淘汰LRU算法:選擇在最近一段時間內(nèi)訪問頻率最低的頁面淘汰1.4中央處理器CPUCPU由寄存器組、算術邏輯單元ALU和控制單元CU這3部分組成。CPU的功能:讀取指令解釋指令讀取數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)保存數(shù)據(jù).寄存器組分為兩大類:用戶可見的寄存器,有通用寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、地址寄存器、標志寄存器等;狀態(tài)寄存器,包括程序計數(shù)器PC、指令寄存器IR、存儲器地址寄存器MAR、存儲器緩沖寄存器MBR、程序狀態(tài)字PSWo.運算器ALU：負責對數(shù)據(jù)進行算術和邏輯運算。.控制器CU：負責控制整個計算機系統(tǒng)的運行,讀取指令寄存器、狀態(tài)控制寄存器以及外部來的控制信號,發(fā)布外控制信號控制CPU與存儲器、I/O設備進行數(shù)據(jù)交換;發(fā)布內(nèi)控制信號控制寄存器間的數(shù)據(jù)交換;控制ALU完成指定的運算功能;管理其他的CPU內(nèi)部操作?？刂破鞯膶崿F(xiàn)有硬布線邏輯和微程序控制兩種方案中斷控制機制:計算機系統(tǒng)通常提供了中斷機制,允許某ー事件中止CPU正在執(zhí)行的程序,轉(zhuǎn)去對該事件進行處理,然后再返回原程序被中止處繼續(xù)執(zhí)行。其作用是提高CPU的處理效率,使CPU與I/O設備并行工作,還可以實現(xiàn)分時操作過程。中斷處理過程可分為:中斷響應過程和中斷服務過程。中斷的分類:按中斷源位置可分為內(nèi)部中斷和外部中斷;按中斷源的類型可分為硬件中斷和軟件中斷;按中斷源的屏蔽特性可分為可屏蔽中斷和不可屏蔽中斷。CPU處理中斷有兩種策略:中斷排隊和中斷〇計算機的指令系統(tǒng):機器指令的格式、分類及功能:CPU所完成的操作是由其執(zhí)行的指令來決定的,這些指令被稱為機器指令。CPU所能執(zhí)行的所有機器指令的集合稱為該CPU的指令系統(tǒng)。機器指令一般由操作碼、源操作數(shù)、目的操作數(shù)和下一條指令的地址組成。操作碼指明要執(zhí)行的操作;源操作數(shù)是該操作的輸入數(shù)據(jù);目的操作數(shù)是該操作的輸出數(shù)據(jù);下一條指令地址通知CPU到該地址去取下一條將執(zhí)行的指令。指令系統(tǒng)可分為數(shù)據(jù)傳送類、算術運算類、邏輯類、數(shù)據(jù)變換類、輸入/輸出類、系統(tǒng)控制類、控制權轉(zhuǎn)移類等類型。指令的尋址方式常用的尋址方式有立即數(shù)尋址、直接尋址、間接尋址、寄存器尋址、基址尋址、變址尋址、相對尋址。指令的執(zhí)行過程.計算下一條要執(zhí)行的指令的地址;.從該地址讀取指令;.對指令譯碼以確定其所要實現(xiàn)的功’4.計算操作數(shù)的地址;.從該地址讀取操作數(shù);.執(zhí)行操作;.保存結(jié)果;1.5輸入/輸出系統(tǒng)I/O系統(tǒng)在CPU、存儲器和各種外部設備之間負責協(xié)調(diào)和控制數(shù)據(jù)的輸入/輸出。I/O系統(tǒng)控制器基本結(jié)構:數(shù)據(jù)寄存器:狀態(tài)寄存器:控制寄存器:控制電路:外設接口控制:I/O系統(tǒng)的工作方式:> 程序控制:CPU完全控制,CPU必須時時查詢I/O設備的狀態(tài);程序中斷:I/O設備以中斷方式通知CPU,定期查詢狀態(tài)DMA方式:CPU只在數(shù)據(jù)傳輸前和完成后オ介入I/O系統(tǒng)的發(fā)展主要階段:數(shù)據(jù)通信:CPU直接控制外設;程序控制：CPU不關心外設的具體細節(jié),I/O增加了數(shù)據(jù)交換的功能;中斷方式:中斷機制減少了CPU的等待時間,DMA方式：暫停、周期竊取、共享方式輸入輸出通道:專門的處理器控制I/O功能;輸入輸出處理機:不僅擁有處理器,還有本地存儲器根據(jù)外部設備和I/O系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)方式,設備接口可分為串行和并行接口。常見的磁盤設備接口有：總線、DMA、通道、SCSI、并行口、RS232C、USB、IEEE1394SCSI接口:并行接口;系統(tǒng)級的設備接口P1394接口:高速串行總線,數(shù)據(jù)傳輸率高,價格低容易實現(xiàn)I/O設備的類型和特性:鍵盤:標準101鍵,主要作為字符、數(shù)字和漢字的輸入鼠標:坐標定位部件,有機械式、光電式和混合式三種。顯示器:輸出設備,輸出圖象和字符,性能參數(shù)是分辨率和灰度級打印機:輸出設備,分擊打式和非擊打式打印機掃描儀:圖象輸入設備,掃描圖象或文本成數(shù)字圖片,然后輸入計算機處理攝像頭：圖象輸入設備圖象數(shù)字化后存入到磁盤。例題:為了快速傳送大量數(shù)據(jù),微型計算機中采用存儲器直接訪問技術,簡稱DMA。用DMA方式傳送時,在存儲器和A之間直接建立高速傳輸數(shù)據(jù)的通路,不需要B的干預。利用DMA方式傳送數(shù)據(jù)時,數(shù)據(jù)的傳送過程完全由成為DMA控制器的硬件控制。DMA控制器具有如下功能:向CPU申請C傳送。在CPU允許DMA工作時,處理總線控制的傳交。

在DMA期間管理D,控制數(shù)據(jù)傳送。確定數(shù)據(jù)傳送的起始地址和E,并在傳送過程中不斷修正。數(shù)據(jù)傳送結(jié)束時,給出表示DMA操作完成的信號。A~E：①控制臺②硬件 ③外部設備 ④數(shù)據(jù)長度⑤CPU ⑥存儲器⑦器⑦DMA速率［分析］⑨數(shù)據(jù)方向 ⑩傳輸DMA(DirectMemoryAccess,直接存儲器訪問)是ー種不需要CPU干預,在存儲器和外部設備之間直接通過系統(tǒng)總線高速傳輸數(shù)據(jù)的方法。DMA方法使用DMA控制器DMAC來控制和管理數(shù)據(jù)傳輸。［答案］A：③B：⑤C：⑦D：⑧E：④6計算機總線結(jié)構總線:一種連接多個設備的信息傳遞通道。典型的計算機總線結(jié)構由內(nèi)部總和外部總線組成。內(nèi)部總線用于連接CPU內(nèi)部各個模塊;外部總線用于連接CPU、存儲器和I/O系統(tǒng),又稱為系統(tǒng)總線。系統(tǒng)總線:可分為數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線3類。數(shù)據(jù)總線:各個模塊間傳送數(shù)據(jù)的通道;地址總線:傳遞地址信息,來指示數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)的來源或去向,CPU根據(jù)地址信息從相應的存儲單元讀出數(shù)據(jù)或向該存儲單元寫入數(shù)據(jù);控制總線:控制數(shù)據(jù)總線和地址總線。多層總線結(jié)構:大多數(shù)計算機系統(tǒng)都使用多總線體系結(jié)構進行互聯(lián)。它的優(yōu)點就在于根據(jù)各個部件對數(shù)據(jù)傳輸率的不同要求,用不同層次的總線進行互聯(lián),以適應各自的特性與需求,不同層次目的總線相對獨立,允許使用不同的信號和以不同的速率運行。對某一層次總線結(jié)構的修改不會影響其他層次的總線結(jié)構。常用的微機總線:ISA（エ業(yè)標準體系結(jié)構）、EISA（擴展ISA）、VESA、PCI（外圍元件互聯(lián)結(jié)構）總線。例題:某系統(tǒng)總線的ー個總線周期包含3個時鐘周期,每個總線周期中可以傳送32位數(shù)據(jù)。若總線的時鐘頻率為33MHz,則總線帶寬為（55）〇（55）A.132MB/sB.33MB/sC.44MB/sD.396MB/s1.7體系結(jié)構其他的知識.流水線技術流水線技術其實是通過并行硬件來提高系統(tǒng)性能的常用方法,其基本思想在馮?諾依曼第一臺存儲程序計算機中已經(jīng)提出。流水線技術的基本原理實際上是ー種任務分解的技術。把一件任務分解成若干順序執(zhí)行的子任務,不同的子任務由不同的執(zhí)行機構負責執(zhí)行,而這些機構可以同時并行的工作。在任ー時刻,任一任務只占用其中一個執(zhí)行機構,這樣就可以實現(xiàn)多個任務的重疊執(zhí)行,以提高工作效率。流水線技術包括指令流水線和運算操作流水線。需要注意的是,對流水線技術而言,其對性能的提高程度取決于其執(zhí)行順序中最慢的ー步。在實際情況中,流水線各個階段可能會相互影響,阻塞流水線,使其性能下降。影響流水線性能的主要因素有兩個:執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令和共享資源沖突。在實際處理中,為了使流水線能維持最大的吞吐率,同時確保流水線各段不會產(chǎn)生沖突,就需要對流水線進行很好的控制。一般采用預留表來預測沖突。預留表是從流水線設計直接推導出來的,表中列出的是流水線上各個部件操作的時間信息,每一行代表流水線中的一段,而每ー列則代表一個時間步。流水線周期:另外,流水線計算機處理中斷的方法通常有兩種。不精確斷點法精確斷點法.RISC技術RISC(reducedinstructionsetcomputer)即精簡指令集計算機,它的主

要特點是CPU的指令集大大簡化,從而減少指令的執(zhí)行周期數(shù),提高運算速度。一般來說,CPU的執(zhí)行速度受三個因素的影響:程序中的指令數(shù)I每條指令執(zhí)行所需的周期數(shù)CPI每個周期的時間T它們之間的關系可表示為:程序執(zhí)行時間=I*CPI*T與CISC（復雜指令集系統(tǒng)）相比,RISC具有以下的特點。CISC1）指令數(shù)量眾多2）指令使用頻率相差懸殊3）CISC1）指令數(shù)量眾多2）指令使用頻率相差懸殊3）支持很多種尋址方式4）變長的指令格式5）指令可以對存儲器中數(shù)據(jù)直接進行處理RISC少指令數(shù)量少指令的尋址方式指令長度固定只提供了Load/Store指令訪問存儲器5）以硬布線邏輯控制為主6）單周期指令執(zhí)行7)擁有相當多的寄存器8)優(yōu)化的編譯器RISC采用窗口重疊技術完成寄存器的組織和參數(shù)的傳遞,對于RISC的流水線的處理是采用延遲轉(zhuǎn)移的方法解決流水線阻塞和互鎖。另外,采用RISC技術的CPU硬件一般具有寄存器數(shù)量多、采用流水線組織、控制器的實現(xiàn)采用硬布線邏輯電路等特點。3.并行處理技術并行性(parallelism)就是指在同一時刻或同一時間間隔內(nèi)完成兩種或兩種以上性質(zhì)相同或不同的工作,只要時間上相互重疊,就都蘊含了并行性。并行性有兩重含義:同時性(simultaneity):兩個或兩個以上事件在同一時刻發(fā)生并發(fā)性(concurrency):兩個或兩個以上事件在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生并行性有不同的層次,從不同的角度看其層次結(jié)構也不ー樣。程序執(zhí)行的并行性指令內(nèi)部并行:一條指令內(nèi)的微操作之間的并行;/