软件设计师专题—计算机系统知识

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1、计算机系统知识2计算机系统知识 考试大纲v 硬件知识 计算机系统的组成、体系结构分类及特性 CPU和存储器的组成、性能和基本工作原理常用I/O 设备、通信设备的性能，以及基本工作原理I/O接口 的功能、类型和特性I/O控制方式（中断系统、DMA 、I/O处理机方式）CISC/RISC，流水线操作，多处 理机，并行处理 v 存储系统 主存-Cache存储系统的工作原理虚拟存储器基本工 作原理，多级存储体系的性能价格RAID类型和特性 v 安全性、可靠性与系统性能评测基础知识 v 诊断与容错系统可靠性分析评价计算机系统性能评测 方式 3计算机系统知识v流水线 v高速缓冲存储器 v编址与存储相关计算

2、 v系统可靠性计算4一、流水线技术概念v把一个重复的过程分解为若干 个子过程，每个子过程由专门 部件处理，并与其他子过程并 行进行。5一、流水线技术概念一、流水线技术分类v指令的执行过程可以采用流 水线，称为指令流水线。v运算器中的操作部件，如浮 点加法器、浮点乘法器等可以 采用流水线，称为操作部件流 水线。67一、流水线技术主要指标v操作周期 取决于基本操作时间最长的一个v现有四级指令流水线，分别完成取 指、取数、运算、传送结果4步操作 。若完成上述操作的时间依次为9ns 、12ns、6ns、8ns，则流水线的操 作周期应设计为（ ）ns。v流水线建立时间 第一条指令完成时间 各基本操作执行

3、时间相等 各基本操作执行时间不等8一、流水线技术主要指标v执行m条指令的时间 各基本操作时间不等 ti+(m-1)tj ti表示指令的第i步需要的 时间 tj表示指令中时间最长的 步的时间9一、流水线技术主要指标10一、流水线技术主要指标v执行m条指令的时间 各基本操作时间相等 (m+k-1)t K:基本操作的个数v若每一条指令都可以分解为取指、分析 和执行三步。己知取指时间t取指=4t， 分析时间t分析=3t，执行时间t执行=5t 。如果按顺序方式执行完100条指令需要 （ ）t。如果按照流水方式执行，执 行完100条指令需要 （） t。 （1）A. 1190 B.1195 C. 1200

4、D.1205 （2）A. 504 B.507 C. 508 D.51011一、流水线技术主要指标12v若每一条指令都可以分解为取指、分析和执行 三步。己知取指时间t取指=5t，分析时间t分析 =2t，执行时间t执行=5t。如果按顺序方式 执行完500条指令需要 （ ）t。如果按照 执行k、 分析k+1、 取指k+2方式执行，执 行完500条指令需要 （） t。 （1）A. 5590 B.5595 C. 6000 D.6007（2）A. 2492 B.2500 C. 2510 D.2515一、流水线技术主要指标14v指令流水线将一条指令的执行过程分为 四步，其中第1、2和4步的经过时间为 ，如下

5、图所示。若该流水线顺序执行50 条指令共用153 ，并且不考虑相关问题 ，则该流水线的瓶颈第3步的时间为 （ ）A. 2 B.3 C. 4 D.5一、流水线技术主要指标v吞吐率P 单位时间内流水线能处理的 任务数量 P=n/Tk N:完成任务数 Tk:完成n个任务所用的时间15一、流水线技术主要指标v加速比S(完成n个任务) T0=不用流水线执行n个任务 所用的时间 Tk=用流水线执行n个任务所 用的时间 S=T0/Tk16一、流水线技术主要指标v假设某流水线浮点加法器分 为5级,若每一级所需要的时间 分别是6ns、7ns、8ns、9ns、 6ns。则其加速比和最大加速 比是多少？17一、流水

6、线技术主要指标v效率E 流水线的设备利用率称 在时空图上，流水线的效率定义为 完成n个任务占用的时空区有效面 积与n个任务所用的时间与k个流水 段所围成的矩形时空区总面积之比 。18一、流水线技术主要指标v效率E S1=N个任务占有的时空区有效面积 S2=N个任务所用的时间与K个流水段 所围的时空区总面积 E=S1/S219一、流水线技术主要指标v效率 各基本操作时间相等时 E=(k*n*t)/(k*(n+k-1)*t) =n/(n+k+1) 各基本操作时间不等时20一、流水线技术主要指标v效率=T0/(kTk)21一、流水线技术主要指标v某数据处理流水线如图，若每隔3t流入一个 数据，连续处

7、理4个数据。此数据处理流水线 的实际吞吐率为（），此时，该流水线的效率 为（）。A. 4/(12t) B. 4/(13t) C. 4/(14t) D. 4/(15t)A. 2/3B. 2/5C. 2/7D. 2/922一、流水线技术主要指标S1S2S3S4输入输出 ttt3t23计算机系统知识v流水线 v高速缓冲存储器 v编址与存储相关计算 v系统可靠性计算二、高速缓冲存储器 vCache 高速缓冲存储器 为解决CPU和主存之间速度匹配问 题而设置的 存取速度比主存快二、高速缓冲存储器命中率 v命中率H 在Cache中访问到数据的概率，一般 用模拟实验的方法得到。 选择一组有代表性的程序，在程

8、序 执行过程中分别统计对Cache的访问 次数N1和对主存的访问次数N2 H=N1/（N1+N2)二、Cache平均实际存取时间 v使用“Cache+主存储器”的系统 的平均实际存取时间T T1：访问Cache的周期时间 T2：访问主存的周期时间 H：命中率 T=HT1+（1-H）T2 1-H：未命中率v若Cache的存取速度是主存存取 速度的10倍，且命中率可达到 0.8，则CPU对该存储系统的平均 存取周期为多少。二、Cache平均实际存取时间v若主存读写时间为30ns，高速缓 存的读写时间为3ns，平均读写 时间为3.27ns，则高速缓存的命 中率为（）%。A. 90B. 95C. 97

9、D. 99二、Cache平均实际存取时间v地址映象 把主存中的数据按照某种规则复制 到Cache中,并建立主存地址与 Cache地址之间的对应关系。v地址变换： 程序执行时，CPU要访问主存中的 某个数据时，把主存地址变换成 Cache地址。二、Cache地址映像v地址映像 将主存与cache的存储空间划分为 若干大小相同的页（或称块）。 例：某机的主存容量为1GB，划分 为2048页，每页512KB；若Cache容 量为8MB，则Cache必须划分为16页 ，每页512K。二、Cache地址映像二、Cache直接映像规则 v直接映像规则 主存储器中一块只能映象到 Cache的一个特定块中。二

10、、Cache直接映像v全相联映像规则 主存的任意一块可以映象到Cache 中的任意一块。二、Cache全相联映像二、Cache全相联映像二、Cache全相联映像v地址转换表主存页号 Cache页号81120。204715二、Cache全相联映像vCache与主存之间采用全相联地址映 象方式，Cache容量为4MB，分为4块 ，每块1MB，主存容量为256MB。若地 址变换表如下所示，则主存地址为 8888888H时，Cache地址为（）H。A. 488888B. 388888C. 288888D. 188888038H188H259H367Hv组相联映像规则 主存和Cache按同样大小划分成块

11、 和组。 主存和Cache的组之间采用直接映 象方式。 在两个对应的组内采用全相联映象 方式。二、Cache组相联映像二、Cache组相联映像主存区号主存页号Cache页号101411。204710v地址转换表39计算机系统知识v流水线 v高速缓冲存储器 v编址与存储相关计算 v系统可靠性计算40三、编址与存储相关计算 v编址 标明每一个空间的名称 v例如对下面芯片进行编址000 001010 011 100 101110 111只需要3根地址 线即可。41三、编址与存储相关计算编址v例：内存按字节编址，地址从 A4000H到CBFFFH，共有（）个字节 。若用存储容量为32K8b的存储器 芯

12、片构成该内存，至少需要（）片 。 A. 80K B. 96K C. 160K D. 192KA. 2B. 5C. 8D. 1042三、编址与存储相关计算编址v例：若内存地址从4000H到43FFH， 每个存储单元可存储16位二进制数 ，该内存区域用4片存储器芯片构成 ，则构成该内存所用的存储器芯片 的容量是（）。 A. 51216bit B. 2568bit C. 25616bit D. 10248bit43三、编址与存储相关计算编址v 例：假设某计算机有1MB内存，并按字节编址 ，为能存该内存各地址内容，其地址寄存器 至少需要二进制（）位。为了使4个字节组成 的字能从存储器中一次读出，要求存

13、放在存 储器中的字边界对齐，1字节的地址码就（） 。若存储周期为200ns，且每个周期可访问4 字节，则该存储器带宽为（）b/s。 A.10 B. 16C. 20 D. 32 A.最低两位为00 B.最低两位为10 C.最高两位为00 B.最高两位为10 A.20M B. 40MC. 80M D. 160M44三、编址与存储相关计算存储v磁盘磁道数 v（外半径-内半径） 道密度记录面数v非格式化磁盘容量 v位密度 圆内直径总磁道数45三、编址与存储相关计算存储v磁盘磁道数 v（外半径-内半径） 道密度记录面数v格式化磁盘容量 v每道扇区数每扇区字节数总磁道数46三、编址与存储相关计算存储v平均

14、数据传输速率（格式化磁盘） 每道扇区数每扇区字节数盘片转数 v平均数据传输速率（非格式化磁盘） 位密度 圆内直径盘片转数v存取时间=寻道时间+等待时间 寻道时间：磁头移动到磁道所用时间 等待时间：等待读写的扇区转到磁头下方所 用的时间47三、编址与存储相关计算存储v假设一个有5个盘片的硬盘，共有8个记录面， 转速为7200转/分，盘面有效记录区域的外直径 为30CM，内直径为10CM，记录位密度为250位/ 毫米，磁道密度为8道/毫米，每磁道分为16个 扇区，每扇区为512B，则该硬盘的非格式化容 量和格式化容量约为（），数据传输率约为（ ）。 A.120M和100M B. 30M和25M C

15、.60M和50M D. 22.5M和25M A.800KBps B. 2048KBps C.1024KBpsD. 960KBps48三、编址与存储相关计算存储v若一个文件超出一个磁道容量，剩下的部分（ ）。 A.存于同一盘面的其他编号的磁道上 B.存于其他一盘面的同一编号的磁道上 C.存于其他盘面的其他编号的磁道上 D.存放位置随机49三、编址与存储相关计算存储v某磁盘有48个磁道，磁头从一个磁道移至 另一个磁道需要5ms。文件在磁道上非连 续存放，逻辑上相邻数据块的平均距离为 8个磁道，每块的旋转延迟时间及传输时 间分别为100ms,20ms,则读取一个50块的 文件需要（） A 6000ms B 8000ms C 10000ms D 12000ms 50计算机系统知识v流水线 v高速缓冲存储器 v编址与存储相关计算 v系统可靠性计算51四、系统可靠性计算相关概念 v计算机系统的可靠性是指从它开始运 行（t=0）到某时刻t这段时间内能正 常运行的概率，用R（t）表示。 v失效率是指单位时间内失效的元件数 与元件总数的比例，以表示。 v当为常数时，可靠性与失效率的关 系为：R(t)=e-t52四、系统可靠性计算相关概念 v平均值称为平均无故障时间MTBF 两次故障之间系统能正常工作的时 间的平均