2022年第一章计算机系统基础知识.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 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 ,把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 . :數制 ,漢字編碼和 CPU的結構工作流程 . 2計算機基本工作原理 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

2、. 4計算機安全 :安全概述 ,加密和認證技術 ,計算機病毒 . ,性能評估 . 5計算機系統的牢靠性 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 其次代 :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

3、機 / 服務器階段 :早期的服務器主要是供应資源共享 磁盤服務 ,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 . 名师归纳总结 計算機軟件 :是程序 ,數據和相關文檔的集合. 第 1 页,共 24 页計算機系統的組成: - - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思運算器CPU主機 掌握器內存主存硬件系統輸入輸出計外部設備外存輔存算機系統 應用軟件軟件系統系統軟件2.計算

4、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 ,掌握器 ,存儲器 ,輸入設備和輸出設備 .其中 ,運算器和掌握器是計算機的核心 ,合稱中心處理器 Central Processing Unit,CPUCPU 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.掌握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掌握命令 所需要的數據 . ,而寄存器為處理單元供应操作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 .外存可以用於長期储存大量程序和

5、數據 比較慢 . ,其成本低 ,容量大 ,速度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 . 計算機硬件系統的典型結構 1單總線結構:單總線 ,雙總線和通道 . CPU主存I/O 接口I/O 接口I/O 接口I/O 設備I/O 設備I/O 設備2雙總線結構 以 CPU為中心的雙總線結構CPUI/O接口I/O接口I/O接口存儲總線名师归纳总结 主存I/O設備I/O設備I/O設備第 2 页,共 24 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思以

6、存儲器為中心的雙總線結構CPU存儲總線主存I/O接口I/O接口I/O 接口I/O設備I/O設備I/O 設備3通道在這種結構中 ,一台主機可以連接多個通道,一個通道可以連接一台或多台 I/O 設備 ,并有通道來治理和掌握設備 . I/O設備 1通道 1 I/O設備 2I/O設備 3主機 通道 2I/O設備 43.計算機軟通道 3I/O設備 5. 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便利使用 檔. ,維護和治理計算機系統而編制的軟件及文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.數制假如數字系統中只使用R 個基本符號的數值

7、,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 : 10102=1*23+0*22+1*21+0*20=10 B516=B*161+5*160=181 758=7*81+5*80=61 不同數制之間的轉換名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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 . 12310=7B16=0111,1

8、0112=1738 2.算術邏輯運算1二進制加法 :逢二進一0+0=0 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 6二進制或運算又稱邏輯加:00=0 0 1=0 1 0=0 1 1=1 :00=0 0 1=1 1 0=1 1 1=1 7二進制異或運算 :0 0=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 Standar

9、d Code For Information 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 1原碼,反碼 ,補碼和移碼等 . 最高

10、有效位表示符號 ,正數 0,負數 1,其他位表示數值大小 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補碼名师归纳总结 正數的補碼與原碼相同,負數的補碼為它的反碼加1 第 4 页,共 24 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思X=106=0

11、1101010B X=-106=10010110B 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

12、部份 ,分別對應著漢字的入碼 區位碼 ,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 憶,缺點是重碼高 . ,如微軟拼音 ,智能 ABC 等優點是便於記字形編碼 :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

13、讀快 . 內部碼 :漢字在計算機或其他信息處理設備中存儲 區位碼 +2022H= 國標碼 +8080H= 內部碼 輸出字型碼 : 5.中心處理器 CPU ,傳輸和處理的形式 . 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. 掌握器 :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名师归纳总结 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第

14、 5 页,共 24 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思應的掌握和定時信息.掌握和協調計算機各種部件的工作.以完成指令所規定的操作 .掌握器主要由 :程序計數器 Program Counter PC 指令寄存器Instruction Register IR 狀態條件寄存器 產生器 ,微操作信號發生器 . Program Status Word PSW 時序程序計數器 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

15、的程序地址 . 指令寄存器 IR:用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 位等 . ,如是否溢出 ,是否進微操作信號發生器 :把指令供应的操作信息 ,時序產生器供应的時序信號綜合成特定的操作序列 .完成指令的執行掌握 . 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 :程序掌握 ,操作掌握 ,時間掌握 ,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

16、Computer Architecture是程序員看到的計算機屬性. 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 足所期望的性價比 . 是指計算機的物理實現 . 計算機實現 Computer Implementation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 1Flynn 分類法 1966 年,Mi

17、chael.J.Flynn 提出根據指令流 ,數據流的多倍性 Multiplicity . 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 名师归纳总结 StreamSISD, 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第 6 页,共 24 页進行譯碼 ,并只對一個操作部件安排數據- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思ISCUCSPUDSMM單指令流多數據流Single Instruction Stream Multiple Data S

18、treamMISD, 以並行機為代表 ,多個重複處理單元 指令的,由單一指令掌握 ,根据 要求分 所需的MMMMMM別安排IS數據PUDSCUCSPUDSPUDS多指令流單數據流Multiple Instruction Stream Single Data StreamMISD,N 個處理單元 ,按 N 個指令對同一數據進行處理 . DSCUISCSISPUDSMMCUCSPUMMCUCSPUMMIS多指令流多數據流Multiple Instruction Stream Multiple Data StreamMIMD, 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

19、. CUCSPUDSMMCUCSPUDSMMCUCSPUDSMMIS名师归纳总结 ISIS第 7 页,共 24 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 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

20、不同的工作 .只要時間上相互重疊就存在並行 發性 . .並行性分為同時性和幷幷發性是指兩個或兩個以上大事在同一時刻發生 . 提高計算機系統並行性可以提高計算機系統性能 重疊 ,資源複用和資源共享 . ,一般有 3 種途徑 ,時間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 岁月開始 ,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

21、理機系統 ,數據量計算機等 .90 岁月最主要的發展是大 規模並行處理 MPP,以多處理機多機計算機系統為讨论熱點 . 1.2.4 存儲系統存儲系統主要用來储存數據和程序.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存取的存儲器名师归纳总结 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第 8 页,共 24 页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

22、 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 - - - - - - - - - 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, 假如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 Di

23、rect Access, 數據以記錄或數據塊組織,但每個數據塊都有一個唯独的標識 ,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独 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 .與从前的訪問序列無關 ,如主存 . ,每個單元都有自 相聯存取 Associative Access, 這也是一個隨機存取己的讀寫裝置 ,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

24、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 . .如存儲器週期 T=500ns, 一個週期能 存儲器帶寬 :每秒中能訪問的位數 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 存和輔存 3.存儲器的分類

25、,三層 高速緩存 ,主存和輔存 四層 寄存器 ,緩存 ,主按存儲器位置分 ,內存和外存名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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 按存儲器訪問方式分,讀寫存儲器和只讀存儲器 ,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供应信息 ,和外存相比 ,其特點是容量小 ,速度快

26、. 1RAMRandom Access Memory 可寫入可讀出 ,但斷電后信息無法保 存. DRAMDynamic RAM 動態 RAM,信息會隨時間逐漸消逝 ,因此要定 時刷新 . SRAMStatic RAM 靜態 RAM,不斷電始终保持 2ROMRead 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 ,不行修改 ,一般用於存放系統程序 BIOS 和微程序 掌握 . PROMProgrammable 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 EPROMErasable PROM可擦出 PROM,用紫外線

27、照耀擦出內容可多 次讀寫 EEPROMElectric EPROM電可擦出 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刻執行的使用信息 ,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 ,掌握器和接口組成 .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 ,並且掌握數據的讀寫速度 ,掌握器接受主機發來的命令,將他轉換為驅動磁盤的掌握

28、命令.并實現主機和驅動之間數據格式的轉換和傳送 ,一個掌握器可掌握一個或多個驅動器 .接口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 . 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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 內圈位密度最大 ,外圈位密度最小 . ,單位 BPI

29、,沒英寸比特數 .非格式化容量 =盤面數 * 磁道數 道 / 面* 內周長 英寸 * 最大位密度 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 =掌握延遲 +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 讀寫的扇區位置的時間,等待磁盤旋轉使磁頭轉到要傳輸延遲 :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

30、 . 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. 高速緩存由掌握部份和Cache部份組成 ,Cache部份用來存放主存的部份副本信息 ,掌握部份是判斷CPU 要訪問的信息是否在Cache 中,如在即為命中 .命中時 ,直接對 Cache 存儲器尋址 ,未命中時 ,要根据替換規則 ,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 的唯独位置 ,一般來說 ,主存的 i 塊映像到 Cache 的 J 塊j=i mo

31、dN,N 為 Cache 的塊數 . 如主存地址 12345H,Cache 塊 256, 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, 如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

32、位長度 , B4AF45H 能一次載入 . 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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=1

33、011110100=2F4H 所以 Cache 地址 =2F45H 如 : 某 32 位元電腦的 Cache 容量為 16KB, Cache 塊的大小為16B ,如主存與 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

34、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 主存第0塊 第0塊第1塊 第1塊第2塊第3塊Cache 的主存地址 . 2全相聯映 射指主存中的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 中唯独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 : 名师归纳总结 隨機替換算法 ,用隨機數發生器產生一個要替換的塊號. 第 12 页,共 24 页新進

35、先出 FIFO算法 ,Cache 掌握塊為每塊設置時間標誌,算則最先進- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 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 掌握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 =H*Hc+1-H*Tm 8.虛擬存儲器Tm,則 Cache 的平均訪問時間虛擬存

36、儲器的治理原則 :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儲器中 ,設計有效的治理方法 ,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 存儲器,段式虛擬存儲器和段頁式虛擬頁式虛擬存儲器 ,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 .實現頁式治理 ,必須建立虛頁實頁間的關

37、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 .因此調入該頁面往往會引入许多無用的內容 ,頁式治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安排依據的一種虛擬存儲器治理方法.為實現段式治理 ,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

38、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,是頁式虛擬存儲器和段式虛擬存儲器相結合的一種治理方法 ,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.磁盤陣列技術名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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.RAIDRedundant Array of Indep

39、endent 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 ,從而得到更高的牢靠性 ,RAID 機制有 6 個級別 . RAID0無冗餘和校驗的數據分塊 盤空間利用率 ,由 N 個磁盤存儲器組成的,具有最高的 I/O 性能和最高的磁 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%, 易治理 ,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 ,上面储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%. 一般是用於供应數據的實時備份 . RAID2採用糾錯海明碼的磁盤陣列,

40、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全部盤上 ,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CISCComplex 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

41、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流水線操作 . 精簡指令集計算機 RISCReduced 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 ,一硬佈線邏輯掌握為主 ,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名师归纳总结 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,第 14 页,共 24 页其 CPI 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