软件设计师专题—计算机系统知识

计算机系统知识2计算机系统知识考试大纲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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安全性、可靠性与系统性能评测基础知识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流水线高速缓冲存储器编址与存储相关计算系统可靠性计算4一、流水线技术——概念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指令的执行过程可以采用流水线，称为指令流水线。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操作周期取决于基本操作时间最长的一个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。12ns周期应设计为所有阶段中的最大值保证每个动作在一个周期完成流水线建立时间第一条指令完成时间•各基本操作执行时间相等•各基本操作执行时间不等9一、流水线技术——主要指标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10一、流水线技术——主要指标11一、流水线技术——主要指标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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=4△t，分析时间t分析=3△t，执行时间t执行=5△t。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.1190B.1195C.1200D.1205（2）A.504B.507C.508D.51012一、流水线技术——主要指标C(4+3+5)*100=1200B(4+3+5)+(100-1)*5=507•∑△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14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=5△t，分析时间t分析=2△t，执行时间t执行=5△t。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.5590B.5595C.6000D.6007（2）A.2492B.2500C.2510D.2515一、流水线技术——主要指标CB（5+5+2）*500=60005+（500-1）*5=250017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.2B.3C.4D.5一、流水线技术——主要指标B3t+x+(50-1)x=153tX=3t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19一、流水线技术——主要指标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/Tk20一、流水线技术——主要指标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？21一、流水线技术——主要指标不采用流水线所用时间数：6+7+8+9+6=36执行N个任务所需要的时间为：36N采用流水线时钟周期应设为8ns执行N个任务所需要的时间为：36+（N-1）*9所以其加速比为：S=T0/Tk=36N/（27+9N）最大加速比为：36/9=4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。23一、流水线技术——主要指标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/S224一、流水线技术——主要指标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25一、流水线技术——主要指标),...,2,1max()1(11jtttnkitikkiitnE效率=T0/(k×Tk)26一、流水线技术——主要指标某数据处理流水线如图，若每隔3Δt流入一个数据，连续处理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/(12Δt)B.4/(13Δt)C.4/(14Δt)D.4/(15Δt)A.2/3B.2/5C.2/7D.2/927一、流水线技术——主要指标S1S2S3S4输入输出ΔtΔtΔt3Δt流水线效率＝任务占用的时空区数/流水线的功能段的时空区总数此时，经过15Δt流水线的功能段的时空区总数＝15Δtx4＝60Δt任务占用的时空区数=Δtx4+Δtx4+Δtx4+3Δtx4=24Δt所以2/5DB29计算机系统知识流水线高速缓冲存储器编址与存储相关计算系统可靠性计算二、高速缓冲存储器Cache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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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=H×T1+（1-H）×T2•1-H：未命中率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t3=0.8*(t2/10)+0.2*t2=0.28t2如果以h代表对Cache的访问命中率，t1标示Cache的周期时间，t2标示主存储器周期时间，以读操作为例，使用“Cache＋主存储器”的系统的平均周期为t3，则t3＝h*t1+(1-h)*t2其中（1－h）又称为失效率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.97D.99二、Cache——平均实际存取时间设Cache的命中率为h，则有：3h+30(1-h)=3.27解得h=0.99，答案选D。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。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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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、Cache——直接映像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地址转换表主存页号Cache页号81120。。。。。。204715二、Cache——全相联映像Cache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.188888038H188H259H367H在全相联地址映像方式中，主存中的任意一块可以映像到Cache中的任意一块中，映像是通过地址转换表来实现的。由于块大小是1M（=220），需要20位地址来表示，因此在内存地址8888888H中，块号是88H，块内地址是88888H，查找地址变换表，其对应的Cache地址的块号为1H，因此Cache地址为188888H，答案也选D。组相联映像规则主存和Cache按同样大小划分成块和组。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。。。。。。。。。204710地址转换表48计算机系统知识流水线高速缓冲存储器编址与存储相关计算系统可靠性计算49三、编址与存储相关计算编址标明每一个空间的名称例如对下面芯片进行编址000001010011100101110111只需要3根地址线即可。50三、编址与存储相关计算—编址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32K×8b的存储器芯片构成该内存，至少需要（）片。A.80KB.96KC.160KD.192KA.2B.5C.8D.10按字节编址=一个存储单元大小是1BA4000H和CBFFFH是16进制数（H只是标志），一个地址代表一个存储单元。CBFFF-A4000+1=28000,即十进制16*16*16*16*2+16*16*16*8=163840若用存储容量为32K×8bit的存储器芯片构成内存，至少需5片CB52三、编址与存储相关计算—编址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.512×16bitB.256×8bitC.256×16bitD.1024×8bit1024/4*16bit=256*16bit43FF-4000=3FF3FF表示1024存储单元54三、编址与存储相关计算—编址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.10B.16C.20D.32A.最低两位为00B.最低两位为10C.最高两位为00B.最高两位为10A.20MB.40MC.80MD.160M20A.最低两位为00若存储周期为200ns，每个周期可访问4字节，其带宽为：1/（200X10-9）*4*8=160M56三、编址与存储相关计算—存储磁盘磁道数（外半径-内半径）×道密度×记录面数非格式化磁盘容量位密度×∏×圆内直径×总磁道数57三、编址与存储相关计算—存储磁盘磁道数（外半径-内半径）×道密度×记录面数格式化磁盘容量每道扇区数×每扇区字节数×总磁道数58三、编址与存储相关计算—存储平均数据传输速率（格式化磁盘）每道扇区数×每扇区字节数×盘片转数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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