2022年第一章计算机系统基础知识 .pdf

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1、读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思第一章計算機系統基礎知識1.1 基本要求1.學習目的和要求本章的學習目的和要求是:通過對本章的學習 ,掌握計算機的一些基礎知識,包括計算機的組成,基本工作原理 ,體系結構 ,存儲系統 ,計算機安全 ,可靠性與系統性能測評等基礎知識. 2.本章重點(1)計算機系統的組成 :計算機的發展以及硬件,軟件組成 . (2)計算機基本工作原理:數制 ,漢字編碼和CPU的結構工作流程 . (3)計算機體系結構的基礎知識:體系結構的發展和分類,存儲系統 ,指令系統,輸入輸出技術 ,流水線 ,總線 ,並行處理 . (4)計算機安全 :安全概述 ,加密和認證技術 ,計算機病毒

2、 . (5)計算機系統的可靠性,性能評估 . 1.2 基本內容1.2.1 計算機系統的組成1.計算機發展概述(1)大型機階段 :1946 年美國賓州大學研製的第一台計算機ENIAC,被認為是大型機的鼻祖 . 第一代 :採用電子管製作的計算機. 第二代 :採用晶體管製作的計算機. 第三代 :採用中 ,小規模集成電路製作的計算機. 第四代 :採用超大規模集成電路製作的計算機. (2)小型機階段 :如 VAX系列(3)微型機階段 :又稱個人計算機 (PC) Personal Computer 如 Apple ,IBM-PC系列(4)客戶機 / 服務器階段 :早期的服務器主要是提供資源共享(磁盤服務

3、,文件服務 ),現在的服務器主要是數據服務和應用服務. (5)互聯網階段 :1969 年美國國防部的ARPNET開始 . 計算機硬件 :是計算機系統中的看得見摸得著的物理裝置,是計算機系統的物質基礎 . 計算機軟件 :是程序 ,數據和相關文檔的集合. 計算機系統的組成: 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 24 页读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思2.計算機硬件系統的結構計算機硬件系統的5 大組成部件 :運算器 ,控制器 ,存儲器 ,輸入設備和輸出設備 .其中 ,運算器和控制器是計算機的核心,合稱中央處理器 (Centr

4、al Processing Unit,CPU)CPU 內部的高速存儲單元,稱為寄存器 .其中運算器執行左右的算術運算和邏輯運算.控制器負責把指令逐條從存儲器中取出,經譯碼器譯碼后向計算機發出各種控制命令,而寄存器為處理單元提供操作所需要的數據 . 存儲器是計算機的記憶部份,用來存放程序以及程序中涉及的數據,分為內存和外存 .內存用於存儲正在執行的程序和以用的數據,其成本高 ,容量小,速度快 .外存可以用於長期保存大量程序和數據,其成本低 ,容量大 ,速度比較慢 . 輸入輸出設備統稱外設(I/O 設備 )用來實現人機交互和機器間通信,通常PC中常用的 I/O 設備有 ,鼠標鍵盤顯示器打印機. 計

5、算機硬件系統的典型結構:單總線 ,雙總線和通道 . (1)單總線結構(2)雙總線結構以 CPU為中心的雙總線結構運算器控制器CPU內存(主存)主機外部設備輸入輸出外存(輔存)硬件系統軟件系統應用軟件系統軟件計算機系統CPU主存I/O 接口I/O 設備I/O 接口I/O 設備I/O 接口I/O 設備CPU主存I/O接口I/O設備I/O接口I/O設備I/O接口I/O設備存儲總線精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 24 页读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思以存儲器為中心的雙總線結構(3)通道在這種結構中 ,一台主機可以連接多個

6、通道,一個通道可以連接一台或多台 I/O 設備 ,并有通道來管理和控制設備. 3.計算機軟件軟件是計算機系統的重要組成部份,可以是計算機更好地發揮作用. 系統軟件是指為了方便使用,維護和管理計算機系統而編制的軟件及文檔. 應用軟件是解決某一問題的程序及文檔. 1.2.2 計算機的基本工作原理1.數制如果數字系統中只使用R個基本符號的數值 ,則成為 R 進制,R 成為該數制的基 .不同數制採用位置法表示.一個 N 位的 R 進制數 N 可以表示為 : (1010)2=1*23+0*22+1*21+0*20=10 (B5)16=B*161+5*160=181 (75)8=7*81+5*80=61

7、不同數制之間的轉換CPU主存I/O接口I/O設備I/O接口I/O設備I/O接口I/O設備存儲總線主機通道1通道2通道3I/O設備1I/O設備2I/O設備3I/O設備5I/O設備4精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 24 页读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思任何數制通過維權法可轉換為十進制,十進制可通過除基取余,乘基取整法轉換為非任何十進制,三個二進制等於一個八進制,四個二進制等於一個十六進制 . (123)10=(7B)16=(0111,1011)2=(173)8 2.算術邏輯運算(1)二進制加法 :逢二進一0+0=0

8、0+1=1 1+1=0(進位) (2)二進制減法 :借一當二0-0=0 1-0=1 0-1=1( 借位) (3)二進制乘法 :0*0=0 0*1=0 1*1=1 (4)二進制除法 :1/1=1 0/1=0 (5)二進制與運算又稱邏輯乘:00=0 0 1=0 1 0=0 1 1=1 (6)二進制或運算又稱邏輯加:00=0 0 1=1 1 0=1 1 1=1 (7)二進制異或運算 :00=0 1 0=1 1 0=1 1 1=0 3.機器數和碼制在計算機中 ,各種字符只能以二進制編碼方式表示.最常用的一種編碼是 ASCII碼(American Standard Code For Informatio

9、n Interchange)用 7 個二進制編碼 ,故有 128 個字符 .二進制編碼的十進制數BCD 碼(Binary Code Decimal) 這種編碼中 1 位十進制用四位二進制編碼表示.最常用的是8421BCD 編碼.如 BCD 碼: 0100 1001 0111 1000.0001 0100 1001=4978.149 數值在計算機中表示的二進制編碼通常成為機器數,它對應的實際數值稱為機器數的真值 .機器數分為無符號數和有符號數.有符號數最高位0 表示正數 ,1 表示負數 .有符號數的表示分為原碼,反碼 ,補碼和移碼等 . (1)原碼最高有效位表示符號,(正數 0,負數 1),其他

10、位表示數值大小X=106=01101010B X=-106=11101010B (2)反碼正數的反碼與原碼相同,負數的反碼符號位為1,其它位按位取反X=106=01101010B X=-106=10010101B 1 1111111 反=-0,1 0000000反=-127 0 1111111反=127 0 0000000 反=+0 (3)補碼正數的補碼與原碼相同,負數的補碼為它的反碼加1 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 24 页读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思X=106=01101010B X=-106=1001

11、0110B 1 0000000 補=128 1 1111111=-1 0 0000000補=0 0 1111111 補=127 補碼的一個好處 ,不同符號的數相加可以通過二進制加法實現37+(-69)=0 0100101+1 0111011=1 1100000=-32 同號的補碼加法可能產生溢出89+67=0 1011001+0 1000011=1 0011100=-100(溢出 ) (4)移碼又叫增碼 ,是符號位取反的補碼,一般用作浮點數的階碼.符號位 1 表示正,0 表示負 .移碼和補碼僅符號位不同4.漢字編碼漢字的處理主要包括編碼輸入,存儲和輸出 3 部份,分別對應著漢字的入碼(區位碼

12、,微軟拼音 ,五筆字型 ),內碼(國標碼 ),形碼 (點陣 ,矢量函數 ). 輸入碼 :解決如何利用西文標準鍵盤將漢字輸入到計算機,主要有數字編碼,拼音編碼 ,字形編碼 . 數字編碼 :國際區位碼 ,將 6763 個漢字分為 94 個區 ,每區 94 個位.優點是編碼無重複 ,缺點是難記憶拼音編碼 :以漢字的拼音為基礎,如微軟拼音 ,智能 ABC等優點是便於記憶,缺點是重碼高 . 字形編碼 :以漢字形狀為基礎 ,將漢字拆分為偏旁部首和筆劃,對這些部件用字母或數字編碼,通過鍵入這些組合,完成輸入 .如五筆字形輸入法 .重碼小,記憶有規律 ,輸入熟讀快 . 內部碼 :漢字在計算機或其他信息處理設備

13、中存儲,傳輸和處理的形式 . 區位碼 +2020H= 國標碼 +8080H= 內部碼輸出字型碼 : 5.中央處理器 CPU 運算器 :對數據進行加工和處理的部件,它主要完成算術運算和邏輯運算,完成對數據的加工處理.運算器基本有算術 / 邏輯運算單元Arithmetic Logical Unit (ALU) 累加器 Accumulator (ACC) 寄存器組 ,多路轉換器和數據總線等邏輯部件組成. 控制器 :主要功能是從內存中取出指令,并指出下一條指令在內存中的位置.將取出的指令經過寄存器送往指令譯碼器,經過對指令的分析發出相精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 -

14、- - - - - -第 5 页，共 24 页读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思應的控制和定時信息.控制和協調計算機各種部件的工作.以完成指令所規定的操作 .控制器主要由 :程序計數器 Program Counter (PC) 指令寄存器Instruction Register (IR) 狀態條件寄存器Program Status Word (PSW) 時序產生器 ,微操作信號發生器 . 程序計數器 (PC):當程序順序執行時 ,每取出一條指令 ,PC的內容自動加一個值 ,指向下一條要取的指令.當程序轉移時 ,則將轉移地址送入PC,然後由 PC指向新的程序地址 . 指令寄存器 (IR):用

15、於存放當前執行的指令. 指令譯碼器 Instruction Decoder (ID): 對現行指令進行分析,確定指令類型,指令完成的操作及尋址方式. 狀態 / 條件寄存器 (PSW):用於指令執行產生的條件,如是否溢出 ,是否進位等. 微操作信號發生器:把指令提供的操作信息,時序產生器提供的時序信號綜合成特定的操作序列.完成指令的執行控制. 執行指令一般分為取指令,指令譯碼 ,執行指令 ,形成下一條指令地址4個步驟CPU的基本功能 :程序控制 ,操作控制 ,時間控制 ,數據處理 . 1.2.3 計算機體系結構1.計算機體系結構概述計算機體系結構Computer Architecture是程序員

16、看到的計算機屬性. 計算機體系結構的屬性包括:機內數據的表示 ,尋址方式 ,寄存器組織 ,指令系統 ,存儲系統 ,中斷機構 ,輸入輸出結構 ,信息保護 . 計算機組成 Computer Organization 指的是計算機體系結構的邏輯實現,其目標是合理地把各種部件,設備組成計算機 ,實現特定的系統結構,同時滿足所希望的性價比 . 計算機實現 Computer Implementation是指計算機的物理實現. 一種體系結構可有多種組成,一種組成可有多種實現. 2.計算機體系結構的分類(1)Flynn 分類法1966 年,Michael.J.Flynn 提出根據指令流 ,數據流的多倍性Mul

17、tiplicity特徵對計算機系統進行分類. 單指令流但數據流Single Instruction Stream Single Data Stream(SISD),傳統的順序執行的單處理機,其指令部件每次只對一條指令進行譯碼 ,并只對一個操作部件分配數據. 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 24 页读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思單指令流多數據流Single Instruction Stream Multiple Data Stream(MISD), 以並行機為代表 ,多個重複處理單元,由單一指令控制 ,按照指令的要

18、求分別分配所需的數據多指令流單數據流Multiple Instruction Stream Single Data Stream(MISD),N 個處理單元 ,按 N 個指令對同一數據進行處理. 多指令流多數據流Multiple Instruction Stream Multiple Data Stream(MIMD), 以多機系統為代表 ,能實現作業 ,任務,指令等各級全面並行的多系統 . CUPUMMCSDSISCUPUMMCSDSPUMMPUMMDSDSISCUPUMMCSPUMMPUMMDSDSCUCUCSCSISISISCUPUMMCSPUMMPUMMCUCUCSCSISISISDS

19、DSDS精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 24 页读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思(2)馮氏分類法1972 年,美籍華人馮澤雲教授提出的最大並行度Pm 來對計算機體系結構進行分類 .最大並行度 Pm 的定義為計算機系統在單位時間內所能處理的最大二進制位數. 平均並行度Pa=(Pi)T 其中 i 为 1， 2，T) 系統利用率=Pa/Pm=( Pi)/(T*Pm)3.系統結構中並行性的發展並行性是指在同一時刻或同一時間間隔內完成兩種或兩種以上性質相同或不同的工作 .只要時間上相互重疊就存在並行.並行性分為同時性和幷發性

20、. 幷發性是指兩個或兩個以上事件在同一時刻發生. 提高計算機系統並行性可以提高計算機系統性能,一般有 3 種途徑 ,時間重疊,資源複用和資源共享. 從計算機信息處理的步驟和階段的角度看,並行處理可分為 : 存儲器並行 ,處理器操作步驟並行(流水線 ),處理器操作並行 (陣列機 ),指令,作業,任務並行 (多處理機 ,分佈式處理系統 ,計算機網路 ). 從 20 世紀 80 年代開始 ,在計算機系統結構上有了很大發展,相繼出現精簡指令集計算機 (RISC),指令級上並行的超標量處理機,超流水處理機 ,超長指令計算機 ,多微處理機系統 ,數據量計算機等 .90 年代最主要的發展是大規模並行處理 (

21、MPP),以多處理機多機計算機系統為研究熱點. 1.2.4 存儲系統存儲系統主要用來保存數據和程序.存儲系統的要求 :告訴存取 ,大容量和低成本 .解決存儲系統的難點方法就是採用多級存儲體系結構Memory Hierarchy 1.存儲系統的特徵(1)位置 ,位於 CPU內部的存儲器叫寄存器,可以直接被 CPU存取的存儲器叫內存 ,通過 I/O 設備與處理器交換數據的叫外存.為了提高性能 ,彌補 CPU處理速度和內存存取速度之間的差異,其設置告訴緩存Cache,其容量小 ,速度快,位於 CPU和主存之間 .用於存放 CPU正在執行的程序段和所需數據. 精选学习资料 - - - - - - -

22、- - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 24 页读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思(2)存儲單元字(Word),字是存儲器的基本單位. 可尋址單元 (Address Unit),如果某存儲器的地址總線寬度為A 位,則該系統的可尋址單元N=2N. 傳輸單元 (Unit Of Transfer),對主存而言 ,就是一次寫入存儲器或讀出的位數. (3)存取方式順序存取 (Sequential Access), 存儲器的數據以記錄的形式組織.對數據訪問必須按特定的順序進行,如磁帶 . 直接存取 (Direct Access), 數據以記錄或數據塊組織,但每個數據塊都有一個唯

23、一的標識 ,讀寫裝置可以直接移動到目的數據所在的位置,進行讀寫 .如磁盤 . 隨機讀取 (Random Access), 存儲器的每一個可尋址單元都有自己唯一的地址和讀寫裝置 ,系統可以在相同時間內對任意一個存儲單元的數據進行讀取 .與先前的訪問序列無關,如主存 . 相聯存取 (Associative Access), 這也是一個隨機存取,每個單元都有自己的讀寫裝置 ,但選擇某單元進行讀寫是取決與內容,不是地址 .如 Cache (4)性能 ,存儲系統的性能主要由存取時間,存儲器帶寬 ,存儲週期 ,和數據傳輸率來衡量存取時間 :對於隨機存取 ,存取時間就等於完成一次讀或寫所花的時間,對於非隨機

24、存取 ,存取時間等於把讀寫裝置移動到目的位置所花的時間. 存儲器帶寬 :每秒中能訪問的位數.如存儲器週期T=500ns, 一個週期能存取 4 個字節 ,則存儲器帶寬=(4Byte*8Bit/Byte)/500ns=64*106BPS=64MBPS 存儲器週期 :對於隨機存儲器而言,就等於兩次相鄰存取所需的時間. 數據傳輸率 :每秒輸入 / 輸出的位數 ,對隨機存儲器而言等於週期的倒數. (5)物理介質 ,有半導體 ,磁介質和光介質(6)物理特性2.存儲器的層次結構多層存儲器層次結構,三層 (高速緩存 ,主存和輔存 )四層 (寄存器 ,緩存 ,主存和輔存 ) 3.存儲器的分類按存儲器位置分 ,內

25、存和外存精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 24 页读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思按存儲器材料分 ,磁存儲器 ,半導體存儲器和光存儲器按存儲器工作方式分,讀寫存儲器和只讀存儲器按存儲器訪問方式分,按地址訪問存儲器和按內容訪問存儲器按存儲器尋址方式分,可分為隨機存儲器,順序存儲器 ,相聯存儲器和直接存儲器4.主存儲器 (主存 ,內存 )用來存放機器當前運行所需的程序和數據,以便向CPU提供信息 ,和外存相比 ,其特點是容量小 ,速度快 . (1)RAM(Random Access Memory) 可寫入可讀出 ,但斷電

26、后信息無法保存. DRAM(Dynamic RAM) 動態 RAM,信息會隨時間逐漸消失,因此要定時刷新 . SRAM(Static RAM)靜態 RAM,不斷電一直保持(2)ROM(Read Only Memory), 只讀存儲器 ,ROM出廠時其內容用掩膜技術(Mask)寫好 ,只可讀出 ,不可修改 ,一般用於存放系統程序BIOS和微程序控制. PROM(Programmable ROM) 可編程 ROM,出廠后由用戶通過電子設備寫入 ,但只能寫一次EPROM(Erasable PROM)可擦出 PROM,用紫外線照射擦出內容可多次讀寫EEPROM(Electric EPROM) 電可擦出

27、 EPROM,可多次讀寫 ,其寫操作時間遠遠大於讀操作 ,集成度低 . Flash Memory, 閃速存儲器5.外存儲器 ,又稱輔存 .用來存放當前不需要立即執行的使用信息,在需要時,把信息調入內存 ,相對內存來說 ,外村容量大 ,價格低 ,但速度慢 .外存主要有磁表面存儲器 (磁盤 ,磁帶)和光盤存儲器 . 磁盤存儲器由盤片,驅動器 ,控制器和接口組成.盤片用來存儲信息 ,驅動器用來驅動磁頭沿盤片面徑方向運動以尋找目標磁道位置,並且控制數據的讀寫速度 ,控制器接受主機發來的命令,將他轉換為驅動磁盤的控制命令.并實現主機和驅動之間數據格式的轉換和傳送,一個控制器可控制一個或多個驅動器 .接口

28、是主機和磁盤的連接邏輯. 磁道 :盤片上的同心圓 ,從外到里編號 ,最外一圈為 0 道,向內一次增加 . 磁道密度 :沿徑向方向單位距離的磁道數.單位 TPI,每英寸磁道數扇區:將磁道等分為如干段,每一段就是一個扇區,每個扇區存放一個固定長度的數據塊 . 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 24 页读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思位密度 :磁道上單位距離可存放的記錄比特數,單位 BPI,沒英寸比特數 .內圈位密度最大 ,外圈位密度最小 . 非格式化容量 =盤面數 * 磁道數 (道/面)* 內周長 (英寸 )* 最大位

29、密度(BPI) 格式化容量 =盤面數 * 磁道數 (道/ 面)* 扇區數 (/ 道)* 字節數 (/ 扇區 ) 平均訪問時間 =控制延遲 +尋道時間 +旋轉時間 +傳輸延遲尋道時間 :指磁頭移動到要讀寫的磁道上的平均時間旋轉延遲 :指磁頭移動到要讀寫的磁道上,等待磁盤旋轉使磁頭轉到要讀寫的扇區位置的時間傳輸延遲 :指磁頭就位后 ,讀寫磁盤的時間平均等待時間 :一般指旋轉延遲 ,他等於磁盤轉半圈的時間數據傳輸率 :扇區記錄字節數 * 每道扇區數 * 磁盤轉速6.相聯存儲器相聯存儲器 ,是一種按內容訪問的存儲器. 7.高級緩存設置高速緩存的目的在於提高CPU數據輸入輸出的速率. 高速緩存由控制部份

30、和Cache部份組成 ,Cache部份用來存放主存的部份副本信息 ,控制部份是判斷CPU要訪問的信息是否在Cache 中,若在即為命中.命中時 ,直接對 Cache 存儲器尋址 ,未命中時 ,要按照替換規則 ,決定替換. 高速緩存中需要將主存地址轉換成Cache 地址 ,這種地址的轉換稱為地址映射 ,Cache 的 3 中地址映射 :直接映射 ,全相聯映射和組相聯映射(1)直接映射指主存中的每一個塊只能被存放到Cache 的唯一位置 ,一般來說 ,主存的 i 塊映像到 Cache 的 J塊(j=i mod(N),N 為 Cache 的塊數 . 如主存地址 12345H,Cache 塊 256,

31、 每塊包含 16 個字節 ,則 Cache 地址主存地址 :1234H 塊+塊內 5H 1234H mod 256=4660 mod 256=34H Cache 地址 =34H( 塊)+5H=345H 如: 記憶體容量 16MB,Cache 容量為 16KB,記憶體與 Cache 每塊都分為 16B,若訪問的記憶體單元為B4AF45H, 而且該單元已經裝入Cache,則Cache 的位址是A 34AFH B 2F45H C 4AF5H D B4AFH 答案:B 解 1:內存容量 16MB, 即 24 位長度 , B4AF45H 能一次載入 . 精选学习资料 - - - - - - - - -

32、名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 24 页读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思每塊 16B,即 4 位長度 ,剛好一個 16 進制數 ,即 5H 為塊內地址Cache 容量 16KB,每塊 16B, 即有 1024 塊Cache 塊= B4AF4H Mod 1024=740084 Mod 1024=2F4H 所以 Cache 地址=2F45H 解 2:先得到塊內地址5H 和 1024 塊1024=210,即 Cache 塊號為主存的低10 位地址B4AF4H=1011110100=2F4H 所以 Cache 地址 =2F45H 如: 某 32 位元電腦的Cache 容

33、量為16KB，Cache 塊的大小為16B，若主存與Cache 的位址映射採用直接映射方式，則主存位址為1234E8F8H 的單元裝入的Cache 位址為 ? 答案 :28F8H 解:32 位計算機 , 1234E8F8H 的主存地址一次裝完Cache 容量 16KB,每塊 16B, 即 1024 塊Cache 的地址寬度 =210+24=14 Cache 的地址為 : 1234E8F8H 的低 14 位=28F8H 直接映像的優點 ,地址變換簡單 ,計計算是否命中時只需檢查Cache 中的一個塊 ,缺點是靈活性差 ,不能同時調入映射到同一Cache 的主存地址 . (2)全相聯映射指主存中的

34、任何一塊可以被放到Cache 中的任何一位置的方法.優點是 Cache 空間利用率高 ,缺點是無法從主存塊號直接得到Cache 地址 ,檢查命中時比較複雜 ,速度較慢 . (3)組相聯映射指主存中的每一塊可以被放到Cache 中唯一的一個組中的任何一個位置,這是直接映像和全相聯映像的折中. Cache 替換算法 : 隨機替換算法 ,用隨機數發生器產生一個要替換的塊號. 新進先出 (FIFO)算法 ,Cache 控制塊為每塊設置時間標誌,算則最先進Cache主存第0塊第1塊第2塊第3塊第0塊第1塊精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12

35、页，共 24 页读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思入 Cache 的信息塊作為替換 . 最近最少使用 (LRU)算法 ,Cache 控制器為每塊設置訪問標誌,選擇近期最少使用的一個數據塊替換. 優化替換算法 ,先用程序統計Cache 替換情況 ,然後再替換 . Cache 性能一般使用平均訪問時間,設 Cache 的命中率為 H,Cache 的存取時間為 Tc,主存的訪問時間為Tm,則 Cache 的平均訪問時間=H*Hc+(1-H)*Tm 8.虛擬存儲器虛擬存儲器的管理原則:由小容量的高速緩存和大容量的低速緩存組成,把經常訪問的數據存放在告訴存儲器中,一旦數據訪問頻率下降則把他送回低速存

36、儲器中 ,設計有效的管理方法,使訪問速率接近告訴存儲器,容量接近低速存儲器 .虛擬存儲系統中 ,由 CPU使用的地址叫虛擬地址,程序直接訪問的存儲空間叫虛擬地址空間,而主存的地址叫物理地址,通常虛擬地址空間遠大於物理地址空間. 虛擬存儲器一般分為頁式虛擬存儲器,段式虛擬存儲器和段頁式虛擬存儲器頁式虛擬存儲器 ,以頁作為虛擬存儲系統使用的最小單位.它把主存和虛存空間分為固定大小的頁面,分別稱為物理頁和虛擬頁.實現頁式管理 ,必須建立虛頁實頁間的關係表(頁表 ),當要訪問某一存儲單元(字,Word)就需要把包含該單元的整個頁面調入主存,由於頁面的劃分由虛擬存儲系統負責,與程序邏輯無關 .因此調入該

37、頁面往往會引入很多無用的內容,頁式管理的優點是頁表硬件少 ,查表速度快 ,主存零頭少 ,缺點是分頁無邏輯意義,不利於存儲保護 . 段式虛擬存儲器 ,以程序的邏輯結構形成的段作為主存分配依據的一種虛擬存儲器管理方法.為實現段式管理 ,需建立段表 ,可以將程序的虛擬地址轉換成主存地址 .段的長度是不固定的,由程序員設計 ,段內地址是不連續的,由段號 +段內偏移量組成 ,段的優點是段的分界明確,支持程序的模塊化設計,易於對程序的編譯,修改和保護 ,便於多道程序的共享,缺點是段的長度不同 ,主存利用率不高 ,地址不連續 ,會產生大量內存碎片,造成浪費 ,段表龐大,查表速度慢 . 段頁式虛擬存儲器,是頁

38、式虛擬存儲器和段式虛擬存儲器相結合的一種管理方法 ,程序先按邏輯分段 ,每段再分成如干相同大小的頁,程序的調入調出按頁進行 ,而程序又可以按段實現保護. 9.磁盤陣列技術精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 24 页读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思磁盤陣列是由多台磁盤存儲器組成的並行外存儲系統.RAID(Redundant Array of Independent Disks)表示廉價冗餘磁盤陣列,通過冗餘的低成本器件來改善性能,從而得到更高的可靠性,RAID 機制有 6 個級別. RAID0(無冗餘和校驗的數據分塊)

39、,具有最高的 I/O 性能和最高的磁盤空間利用率 ,由 N 個磁盤存儲器組成的0 級陣列的數據傳輸率是單個磁盤的 N 倍,磁盤空間利用率為100%, 易管理 ,無冗餘和無校驗 ,但沒有容錯能力. RAID1(磁盤鏡像陣列 ),由磁盤對組成 ,每個工作盤都有一個鏡像盤,上面保存的數據完全拷貝到鏡像盤,具有最高的安全行 ,但磁盤空間利用率只有 50%.一般是用於提供數據的實時備份. RAID2(採用糾錯海明碼的磁盤陣列),採用海明碼糾錯 ,對大量數據傳輸時 I/O 性能較高 ,但不利於小批量數據的傳輸,在實際中很少使用. RAID3(採用奇偶校驗的磁盤陣列),相對 RAID2 減少用於存儲校驗碼的

40、磁盤 ,從而提高了磁盤空間利用率.採用奇偶位交叉 . RAID4(採用奇偶校驗的磁盤陣列),採用奇偶塊交叉 . RAID5(無獨立校驗盤的奇偶校驗碼磁盤陣列),沒有獨立的校驗盤,校驗信息分佈在組內所有盤上,對大,小批量數據讀寫性能都很好. 1.2.5 指令系統複雜指令集計算機CISC(Complex Instruction Set Computer),指令眾多 ,通常有 100250 條,指令使用頻率相差懸殊,占指令總數 20%的指令出現頻率占 80%,支持多種方式尋址 ,變長指令格式 ,指令可以對存儲單元的數據直接處理 .以為程序為主 . 由於 CISC要求硬件過於複雜 ,指令種類太多不利於

41、流水線操作. 精簡指令集計算機RISC(Reduced Instruction-Set Computer),指令的尋址方式少 ,指令長度固定 ,指令格式種類少 ,訪問存儲器方式簡單,一硬佈線邏輯控制為主 ,易於流水線操作 ,CPU中有大量寄存器 .大多數指令在一個機器週期內完成 . 計算機執行程序所需時間P由 3 個因素決定 ,高級語言編譯后產生的及其指令數 I,執行每條執行所需的平均週期CPI,以及每個機器週期T P=I*CPI*T 由於 RISC指令系統比較簡單,所以編譯后的 RISC指令數要大於相應的CISC指令數 ,但由於 RISC結構簡單 ,大部份指令可以在一個機器週期內完成,其 C

42、PI遠小於 CISC,因此 RISC上程序所需的執行時間小於該程序在CISC精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 24 页读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思上的運行時間 .RISC增加了 I,但更減少了 CPI. 1.2.6 輸入輸出技術輸入輸出系統是指計算機和外界進行數據交換的通道.負責處理外設和總線通信的控制 . 1.I/O 設備的編址方式 :統一編址和獨立編址統一編址 ,內存和 I/O 設備接口統一編址 ,即內存地址和接口在一個公共的地址空間 ,使用相同的指令來訪問內存和接口,優點是增加對接口的訪問能力 ,缺點是內

43、存編址不連續. 獨立編址 ,優點是在程序中容易分辨是內存還是接口,缺點是指令不能互用. 一般來說 ,輸入輸出系統主要有3 中方式與主機交換數據,分別是程序控制,中斷方式和 DMA 方式 . 2.程序直接控制方式由程序控制外設 ,完成與主機之間的數據傳遞,方法簡單 ,硬件開銷小 ,它又可分為無條件傳送和程序查詢方式. 無條件傳送方式 ,外設中是準備好的 ,可以隨時無條件地接受CPU發來的數據 ,也可以隨時向CPU提供的數據 . 程序查詢方式 ,需要外設有狀態位,利用 CPU執行程序查詢外設的狀態,判斷是否準備好接收或輸入數據,程序查詢的缺點 ,因為程序需要不斷循環訪問狀態 ,降低了 CPU的效率

44、 .對突發事件不能實時響應. CPU發出對I/O的讀寫命令讀I/O狀態Ready?交換數據完成?YNN開始結束Y精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 24 页读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思3.中斷方式由於程序控制I/O 的方式的主要缺點在於CPU必須等待 I/O 系統完成數據傳輸任務 ,在此期間 CPU必須定期查詢I/O 系統的狀態 ,以確認傳輸數據是否完成 ,因此整個系統性能嚴重下降. 中斷方式 ,當 I/O 系統與外設交換數據時,CPU無需等待也不必去查詢I/O 的狀態 ,這樣可以抽身出來處理其他任務,當 I/O

45、 完成數據傳送后則以中斷信號通知 CPU,CPU保存正在執行的現場,轉入 I/O 中斷服務與 I/O 系統交換數據 ,然後返回原程序繼續執行. 常用的中斷處理方法:多中斷信號線法 ,終端軟件查詢法 ,雛菊鏈法 ,總線總裁和中斷向量法. 4.DMA 方式直接內存存取DMA(Direct Memory Access), 使用 DMA 控制器 (DMAC)來控制和管理數據傳輸,可以不通過 CPU來實現數據在內存和I/O 設備間的直接整塊傳輸 .DMAC在傳輸時提供存儲器地址和必須的讀寫控制信號,實現外設和存儲器間的數據交換,CPU只需要在開始和結束傳輸時進行一下處理,傳輸過程不需要CUP的參與 .這

46、樣大大提高了數據傳輸的速度. CPU發出對 I/O 的讀寫命令CPU執行其他任務中斷發出開始N檢查 I/O 狀態調用中毒服務程序中斷發出數據傳輸結束NYDMA 請求結束?內存地址加 1DMA 響應傳送一個數據N傳送一個內存地址結束Y精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 24 页读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思DMA 方式的缺點是如果有多個外設都要執行輸入輸出,CPU管理複雜 ,內存和外設之間數據交換極為頻繁,增加了訪問內存操作時的衝突,也會影響整個系統性能的提高. 5.輸入輸出處理機 (IOP) 輸入輸出處理機的傳送方

47、式:字節多路 ,選擇傳送 ,數組多路方式 . 1.2.7 流水線操作1.流水線技術的基本原理流水線技術是通過硬件並行來提高系統性能的常用方法.是一種任務分解技術 .它將一件任務分解為如干順序執行的子任務,不同的子任務由不同的執行機構負責執行,而這些機構可以同時並行工作.這樣就可以實現多個任務重疊執行 . 2.指令流水線取指令 -指令譯碼 -取操作數 -執行3.流水線技術的特點流水線可分為如干戈相互聯繫的子過程每個子過程由專門的功能段實現各個功能所需時間應儘量相等,否則 ,時間長的功能段將成為流水線的瓶頸流水線需要通過時間,在此之後才能穩定 ,每一個時鐘週期流出一個結果流水線技術適合大量重複的時

48、序過程4.流水線的分類按功能分 : 單功能流水 ,只能完成一種固定功能的流水線. 多功能流水 ,流水線各段可以進行不同的連接,從而在同一時間和不同時間完成不同功能. 按同一時間內各段之間的連接方式分: 靜態流水 ,在同一時間內 ,各段只能按同一種功能連接. 動態流水 ,在同一時間內 ,一段執行某種運算 ,另一段執行另一種運算. 按數據表示分 : 標量流水 ,只對標量數據進行處理. 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 24 页读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思向量流水 ,通過向量指令對向量個元素進行處理. 按流水線級別分

49、 : 部件級 ,又叫運算操作流水線,它將處理機的算術邏輯部件分段. 處理機級 ,又叫指令流水 ,它把解釋指令的過程分段. 處理機間 ,又叫宏流水 ,它是由兩個以上處理機串行對同一數據流進行處理 ,每個處理機完成一個任務. 按流水線中是否有反饋回路來分: 線性流水 ,流水線的割斷串行連接,沒有反饋回路 . 非線性流水 ,有反饋路 . 5.流水線性能分析吞吐率 ,單位時間內流水線所完成的任務數或輸出的結果數量.對指令來說就是單位時間執行的指令數.最大吞吐率 P 為最長子過程的倒數. P=1/max( Ti) 建立時間 ,流水線開始工作 ,到達到最大吞吐率的時間. 加速比 ,不使用流水線執行完任務和

50、使用流水線完成的時間比6.影響流水線性能的主要因素執行條件轉移共享資源訪問衝突對共享的寄存器 .存儲器資源訪問次序的變化,導致的衝突又稱數據相關對硬件資源滿足不了指令重疊執行發生的衝突又稱結構相關7.流水線練習題採用四級流水線結構,分別完成一條指令的取指令,指令譯碼和取數 ,運算傳回結果4 個基本操作 ,每步操作時間依次為60ns,100ns,50ns,70ns.該流水線的操作週期為_A_ns,若有一小段程序需要20 條基本指令完成 ,則得到的第一條指令結果需_B_ns,完成該段程序需要_C_ns. 解:流水線的操作週期為每個子過程所需的最大時間,因此 A=100ns. 第一條指令流出需要4