计算机组成与体系结构

计算机组成与体系结构

大纲

考情分析

一、数据的表示

考点1：进制转换

考点2：码制（原码/反码/补码/移码）

考点3：浮点数的表示

考点4：逻辑运算

数据的表示考点1-进制转换

🐱按权展开法

R进制转十进制使用按权展开法，其具体操作方式为: 将R进制数的每一位数值用R^k形式表示，即幂的底数是R，指数为k，k与该位和小数点之间的距离有关。当该位位于小数点左边，k值是该位和小数点之间数码的个数，而当该位位于小数点右边，k值是负值，其绝对值是该位和小数点之间数码的个数加1。

数码*位权

示例一：二进制转十进制

$$\begin{gathered} 10100.01 \\ =10000+0+100+0+0+0.01 \\ =1\ast {10}^4+0+1\ast {10}^2+0+0+1\ast {10}^{-}2 \\ =1\ast 2^4+1\ast 2^2+1\ast 2^{-2} \end{gathered}$$

示例二：七进制转十进制

$$604.01=6\ast 7^2+4\ast 7^0+1\ast 7^{-2}$$

🐱短除法

十进制转R进制使用短除法（除基取余法）。

商为0截止

余数从下往上记录

🐱减法

十进制转二进制使用减法。

例如将94转换为二进制数。

$$\begin{gathered} 2^0=1, \\ {2}^1=2, \\ {2}^2=4, \\ {2}^3=8, \\ {2}^4=16, \\ {2}^5=32, \\ {2}^6=64, \\ {2}^7=128, \\ {2}^8=256, \\ {2}^9=512, \\ {2}^{10}=1024 \end{gathered}$$$$\begin{gathered} \mathrm{小}\mathrm{于}\mathrm{且}\mathrm{离}94\mathrm{最}\mathrm{近}\mathrm{的}\mathrm{乘}\mathrm{幂}\mathrm{为}64：94-64=30(2^6=64) \\ \mathrm{小}\mathrm{于}\mathrm{且}\mathrm{离}30\mathrm{最}\mathrm{近}\mathrm{的}\mathrm{乘}\mathrm{幂}\mathrm{为}16：30-16=14(2^4=16) \\ \mathrm{小}\mathrm{于}\mathrm{且}\mathrm{离}14\mathrm{最}\mathrm{近}\mathrm{的}\mathrm{乘}\mathrm{幂}\mathrm{为}8：14-8=6(2^3=8) \\ \mathrm{小}\mathrm{于}\mathrm{且}\mathrm{离}6\mathrm{最}\mathrm{近}\mathrm{的}\mathrm{乘}\mathrm{幂}\mathrm{为}4：6-4=2(2^2=4) \\ \mathrm{小}\mathrm{手}\mathrm{且}\mathrm{离}2\mathrm{最}\mathrm{近}\mathrm{的}\mathrm{乘}\mathrm{幂}\mathrm{为}2：2-2=0(2^1=2) \\ \mathrm{结}\mathrm{束} \end{gathered}$$

位号	6	5	4	3	2	1	0
取值	1	0	1	1	1	1	0

🐱二进制转八进制与十六进制

二进制转八进制

010 001 110
2  1   6

二进制转十六进制

1000 1110
8    E

数据的表示考点2-码制（原码/反码/补码/移码）

原码：最高位是符号位，其余低位表示数值的绝对值。

反码：正数的反码与原码相同，负数的反码是其绝对值按位取反（符号位不变）。

补码：正数的补码与原码相同，负数的补码是其反码末位加1（符号位不变）。

移码：补码的符号位按位取反。

	数值1	数值-1	1-1
原码	0000 0001	1000 0001	1000 0010	后面变成10，即-2，偏差较大
反码	0000 0001	1111 1110	1111 1111	-0，实际中没有负数，也不对
补码	0000 0001	1111 1111	0000 0000	+0，结果正确
移码	1000 0001	0111 1111	1000 0000

定点整数、定点小数、数码个数

什么是定点？小数点在数的前面还是后面，小数点在数的后面是纯整数，小数点在数的前面是纯小数。

为什么需要定点？计算机不认识小数，只有纯整数、纯小数。

码制	定点整数	定点小数	数码个数
原码	$-（2^{n-1}-1）+（2^{n-1}-1）$	$-（2^{n-1}-1）+（2^{n-1}-1）$	$2^{n-1}$
反码	$-（2^{n-1}-1）+（2^{n-1}-1）$	$-（2^{n-1}-1）+（2^{n-1}-1）$	$2^{n-1}$
补码	$-2^{n-1}+（2^{n-1}-1）$	$-1+（1-2^{-(n-1)}）$	$2^n$
移码	$-2^{n-1}+（2^{n-1}-1）$	$-1+（1-2^{-(n-1)}）$	$2^n$

定点整数示例

n=3时，位数是3位，每位由0/1组成：0/1、0/1、0/1

编码形式，第一位是符号位：000、001、010、011、100、101、110、111

最高位是符号位，4位正数、4位负数，

范围为+0—+3，-0—-3

11补一位变成100，2^2-1，即公式中的

$$2^{n-1}-1$$

定点小数示例

第一位依然是符号位，最小0.00，最大0.11，-0.00，-0.11

0.11补整变成2的k次方形式：0.11+0.01=1.00，即为公式中的

$$1-2^{-(n-1)}$$

数据的表示考点3：浮点数的表示

🐰浮点的运算

☀️浮点数表示

$$N=\mathrm{尾}\mathrm{数}\ast \mathrm{基}{\mathrm{数}}^{\mathrm{指}\mathrm{数}}$$

解释：

• 浮点：指的是小数点不固定
• 尾数：定点小数
• 基数：可以叫阶码，一般是定点整数
• 以科学计数法为例，1.25*10^6

☀️运算过程

对阶>尾数计算>结果格式

☀️特点

1、一般尾数用补码，阶码用移码

2、阶码的位数决定数的表示范围，位数越多范围越大

3、尾数的位数决定数的有效精度，位数越多精度越高

4、对阶时，小数向大数看齐

5、对阶是通过较小数的尾数右移实现的

🐰例题

数据的表示考点4：逻辑运算

🐺关系运算符

💅关系运算符及其优先次序

优先级相同（高）

• <（小于）
• <=（小于等于）
• >（大于）
• >=（大于等于）

优先级相同（低）

• ==（等于）
• !=（不等于）

说明：

💅关系运算符的优先级低于算术运算符

💅关系运算符的优先级高于赋值运算符

🐺逻辑运算

逻辑变量之间的运算称为逻辑运算。二进制数1和0在逻辑上可以代表“真”与“假”。

逻辑运算

• 逻辑或（||、+、U、V、OR）：连接的两个逻辑值全0时才取0
• 逻辑与（&&、*、·、∩、∧、AND）：连接的两个逻辑值全1时才取1
• 逻辑异或（⊕、XOR）：连接的两个逻辑值不相同时才取1，相同则取0
• 逻辑非（！、¬、~、NOT、-）：将原逻辑值取反即可

真值表：描述一个逻辑表达式与其变量之间的关系

A	B	！A	A+B（A||B）	A*B（A&&B）	A⊕B
0	0	1	0	0	0
0	1	1	1	0	1
1	0	0	1	0	1
1	1	0	1	1	0

🐺逻辑运算符

逻辑运算符

• &&（逻辑与）相当于其他语言中的AND
• ||（逻辑或）相当于其他语言中的OR
• ！（逻辑非）相当于其他语言中的NOT

例：a&&b 若a，b为真，则a&&b为真。

a||b 若a，b之一为真，则a||b为真。

!a 若a为真，则!a为假。

优先次序：

！（非）->&&（与）->||（或）

逻辑运算符中的"&&"和"||"低于关系运算符，“！”高于算术运算符

因此运算符的优先顺序为: ！>算术运算符>关系运算符>&8>||>赋值运算符

短路原则 在逻辑表达式的求解中，并不是所有的逻辑运算符都要被执行。

• （1）a&&b&&c 只有a为真时，才需要判断b的值，只有a和b都为真时，才需 要判断c的值。
• （2）a||b||c 只要a为真，就不必判断b和c的值，只有a为假，才判断b。a和b 都为假才判断c。

例：（m=a>b）&&（n=c>d）

当a=1,b=2,c=3,d=4,m和n的原值为1时，由于"a>b"的值为0，因此m=0，而 "n=c>d"不被执行，因此n的值不是0而仍保持原值1。

🐺例题

二、校验码

考点1：奇偶校验码

考点2：CRC循环冗余校验码

考点3：海明校验码⭐️

考点1：奇偶校验码

🐶基础知识

码距：任何一种编码都由许多码字构成，任意两个码字之间最少变化的二进制位数就称为数据校验码的码距。

例如，用4位二进制表示16种状态，则有16个不同的码宇，此时码距为1。如0000与0001。

🐶奇偶校验

奇偶校验码的编码方法是：由若干位有效信息（如一个字节），再加上一个二进制位(校验位)组成校验码。

奇校验：整个校验码 (有效信息位和校验位)中"1”的个数为奇数。（奇数校验码：在发送端增加一位校验位且根据数据中已有的1的个数改变校验位的状态使整段二进制码中1的个数为奇数。接收端根据对应规则判断二进制中数据是否为奇来确定是否出错）

偶校验：整个校验码 (有效信息位和校验位)中 “1”的个数为偶数。

奇偶校验，可检查1位（奇数位）的错误，不可纠错。

🐶例题

以下关于采用一位奇校验方法的叙述中，正确的是 (C)。
A、若所有奇数位出错，则可以检测出该错误但无法纠正错误
B、若所有偶数位出错，则可以检测出该错误并加以纠正
C、若有奇数个数据位出错，则可以检测出该错误但无法纠正错误
D、若有偶数个数据位出错，则可以检测出该错误并加以纠正

考点2：CRC循环冗余校验码

🐭CRC循环冗余校验码

CRC校验，可检错，不可纠错。

• CRC的编码方法是：在k位信息码之后拼接r位校验码（信息位+校验位=生成多项式）。应用CRC码的关键是如何从k 位信息位简便地得到r位校验位（编码），以及如何从k+r位信息码判断是否出错。
• 把接收到的CRC码用约定的生成多项式G(X)去除（模二除法），如果正确，则余数为0；如果某一位出错，则余数不为0。不同的位数出错其余数不同，余数和出错位序号之间有惟一的对应关系。

🐭例题

在（D）校验方法中，采用模2运算来构造校验位。
A、水平奇偶
B、垂直奇偶
C、海明码
D、循环冗余

考点3：海明校验码

🐹海明校验码

海明校验，可检错，也可纠错。

海明校验码的原理是：在有效信息位中加入几个校验位形成海明码，使码距比较均匀地拉大，并把海明码的

每个二进制位分配到几个奇偶校验组中。当某一位出错后，就会引起有关的几个校验位的值发生变化，这不

但可以发现错误，还能指出错误的位置，为自动纠错提供了依据。

$$\begin{gathered} 2^r>=m+r+1（m\mathrm{是}\mathrm{信}\mathrm{息}\mathrm{位}） \\ {2}^r-1>=m+r \end{gathered}$$

🐹三种校验码对比​

	校验码位数	校验码位置	检错	纠错	校验方式
奇偶校验	1	一般拼接在头部	可检奇数位错	不可检错	奇校验：最终1的个数是奇数个； 偶校验：最终1的个数是偶数个；
CRC循环冗余校验	生成多项式最高次幂决定	拼接在信息位尾部	可检错	不可检错	模二除法求余数，拼接作为校验位
海明校验	2^r>=m+r+1	插入在信息位中间	可检错	可检错	分组奇偶校验

🐹例题

三、CPU组成（运算器与控制器）

🐸指令的基本概念

一条指令就是机器语言的一个语句，它是一组有意义的二进制代码，指令的基本格式如下：

操作码字段+地址码字段

OP+A1+A2

🐸寻址方式

1. 立即寻址方式
   • 特点：操作数直接在指令中，度快，灵活性差。
   • 
2. 直接寻址方式
   • 特点：指令中存放的是操作数的地址。
   • 
3. 间接寻址方式
   • 特点：指令中存放了一个地址，这个地址对应的内容是操作数的地址。
   • 
4. 寄存器寻址方式
   • 特点：寄存器存放操作数。
   • 
5. 寄存器间接寻址方式
   • 特点：寄存器内存放的是操作数的地址。
   • 

🐸例题

在机器指令的地址字段中，直接指出操作数本身的寻址方式称为 (C)。
A、隐含寻址
B、寄存器寻址
C、立即寻址
D、直接寻址

参考讲解：

计算机组成原理——9种常用寻址方式_隐含寻址-CSDN博客 (opens new window)

关于寻址方式一篇就够了 - 知乎 (zhihu.com) (opens new window)

四、CISC与RISC

🐨CISC与RISC对比

指令系统类型	指令	寻址方式	实现方式	其它
CISC（复杂）	数量多，使用频率差别大，可变长格式	支持多种	微程序控制技术（微码）	研制周期长
RISC（精简）	数量少，使用频率接近，定长格式，大部分为单周期指令，操作寄存器，只有Load/Store操作内存	支持方式少	增加了通用寄存器；硬布线逻辑控制为主；适合采用流水线	优化编译，有效支持高级语言

🐨CISC与RISC比较，分哪些维度？

指令数量、指令使用频率，寻址方式，寄存器，流水线支持，高级语言支持

• CISC：复杂，指令数量多，频率差别大，多寻址
• RISC：精筒，指令数量少，操作寄存器，单周期，少寻址，多配用奇存器，流水线

🐨例题

以下关于RISC(精简指令系统计算机)技术的叙述中，错误的是(B)
A、指令长度固定、指令种类尽量少
B、指令功能强大、寻址方式复杂多样
C、增加寄存器数目以减少访存次数
D、用硬布线电路实现指令解码，快速完成指令译码

五、流水线技术

🐯概念​

• 相关参数计算：流水线执行时间计算、流水线吞吐率、流水线加速比、流水线效率
• 流水线是指在程序执行时多条指令重叠进行操作的一种准并行处理实现技术。各种部件同时处理是针对不同指令而言的，它们可同时为多条指令的不同部分进行工作，以提高各部件的利用率和指令的平均执行速度。

理论公式与实践公式结果会不一样，默认优先理论公式

一条指令的执行过程可以分解为取指、分析和执行三步，在取指时间 t取值=3△t、分析时间 t分析=2△t、执行时间 t执行=4△t的情况下，若按串行方式执行，则10条指令全部执行完需要（90）△t；若按流水线的方式执行，流水线周期为（4）△t，则10条指令全部执行完需要（45）△t。

k=3，t=4
串行就是顺序执行，（3+2+4）*10=90
按流水线的方式，流水线周期就是执行时间最长的一段4
按流水线的方式，全部执行完 理论：9+（10-1）*4=45   实践：3*4+（10-1）*4=48

🐯流水线计算

理论公式：

$$（t_1+t_2+...+t_k）+（n-1）\ast t$$

实践公式：

$$k^t+（n-1）\ast t$$

🐯流水线吞吐率计算

流水线的吞吐率（Though Put rate，TP）是指在单位时间内流水线所完成的任务数量或输出的结果数量。计算流水线吞吐率的最基本的公式如下（流水线执行时间使用理论公式）：

$$TP=\frac{\mathrm{指}\mathrm{令}\mathrm{条}\mathrm{数}}{\mathrm{流}\mathrm{水}\mathrm{线}\mathrm{执}\mathrm{行}\mathrm{时}\mathrm{间}}$$

流水线最大吞吐率（流水线执行时间使用实践公式）：

$$T{P}_{max}={\displaystyle \underset{n\to \mathrm{\infty }}{lim}\frac{n}{(k+n-1)}=\frac{1}{t}}$$

一条指令的执行过程可以分解为取指、分析和执行三步，取指时间 t取值=3△t、分析时间 t分析=2△t、执行时间 t执行=4△t。10条指令的吞吐率？最大吞吐率？

吞吐率=10/45△t
最大吞吐率=1/4△t

🐯例题

下列关于流水线方式执行指令的叙述中，不正确的是(A)。
A、流水线方式可提高单条指令的执行速度
B、流水线方式下可同时执行多条指令（不是并行，只是准并行）
C、流水线方式提高了各部件的利用率
D、流水线方式提高了系统的吞吐率

将一条指令的执行过程分解为取指、分析和执行三步，按照流水方式执行，若取指时间t取指=4△t、分析时间t分析=2△t、执行时间t执行=3△t，则执行完100条指令，需要的时间为 (D) △t
A、200
B、300
C、400
D、405

例题：若指令流水线一条指令分为取指、分析、执行三个阶段，并且这三个阶段的时间分别为取指1ns，分析2ns，执行1ns，则流水线的周期为多少？100条指令全部执行完毕需要执行的时间是多少？
分析：流水线的周期为花费时间最长的阶段所花费的时间，所以流水线的周期就是2ns。
    根据理论公式，T=（1+2+1）+（100-1）*2=4+99*2=202ns
    根据实践公式，T=（3+100-1）*2=204ns
在这里，需要注意的是，因为流水线的理论公式和实践公式的结果不一样，但是在考试过程中可能都会考到，所以，在应用时，先考虑理论公式，后考虑实践公式。

六、存储系统

考点1：层次化存储体系

考点2：Cache

考点3：主存编址计算

考点1：层次化存储体系

🐻层次化存储结构

CPU：最快，但容量小，成本高

Cache：按内容存取

内存（主存）：分两类：随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）

外存（辅存）：硬盘、光盘、U盘等

三级存储体系：Cache——主存——辅存

局部性原理是层次化存储结构的支撑

时间局部性：刚被访问的内容，立即又被访问。（重复使用，循环体）

空间局部性：刚被访问的内容，临近的空间很快又被访问。（顺序结构）

计算机组成原理与体系结构——层次化存储结构_层次化片上存储架构-CSDN博客 (opens new window)

🐻层次化存储结构-分类

1、存储器位置：内存&外存

2、存取方式

（1）按内容存取：相联存储器（如Cache）

（2）按地址存取：

• 随机存取存储器（如内存）
• 顺序存取存储器（如磁带）
• 直接存取存储器（如磁盘）

3、工作方式

（1）随机存取存储器RAM（如内存DRAM）（掉电丢失）

（2）只读存储器ROM（如BIOS）（掉电保留）

• DRAM：动态随机存取存储器
• SRAM：静态随机存取存储器
• Cache：高速缓存
• EEPROM：电可擦可编程只读存储器

🐻例题

CPU访问存储器时，被访问数据一般聚集在一个较小的连续存储区域中。若一个存储单元已被访问，则其邻近的存储单元有可能还要被访问，该特性被称为 (C)
A、数据局部性
B、指令局部性
C、空间局部性
D、时间局部性

虚拟存储体系由 (A) 两级存储器构成。
A、主存-辅存
B、寄存器-Cache
C、寄存器-主存
D、Cache-主存

在微机系统中，BIOS(基本输入输出系统) 保存在 (A) 中。
A、主板上的ROM
B、CPU的寄存器
C、主板上的RAM
D、虚拟存储器

考点2：Cache

🐷Cache-概念

1、在计算机的存储系统体系中，Cache是访问速度最快的层次（若有寄存器，则寄存器最快）。

2、使用Cache改善系统性能的依据是程序的局部性原理。

• 时间局部性
• 空间局部性

3、如果以h代表对Cache的访问命中率，t1表示Cache的周期时间，t2表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：

$$t_3=h\ast t+（1-h）\ast t_2$$

其中， （1-h）又称为失效率（未命中率）

4、直接相联映像：硬件电路较简单，但冲突率很高。

5、全相联映像：电路难于设计和实现，只适用于小容量的cache，但冲突率较低。

• 组相联映像：直接相联与全相联的折中。
• 注：主存与Cache之间的地址映射的硬件直接完成。

6、地址映像是将主存与Cache的存储空间划分为若干大小相同的页（或称为块）。

例如，某机的主存容量为1GB，划分为2048页，每页512KB；Cache容量为8MB，划分为16页，每页512KB。

🐷Cache-直接相联映像

🐷Cache-全相联映像

🐷Cache-组相联映像

🐷Cache-映像

中级考试只需要掌握特点就可以。

	冲突率（高、中、低）	电路复杂度（复杂、简单、折中）
直接相联映像	高	简单
全相联映像	低	复杂
组相联映像	中	折中

🐷Cache-例题

以下关于Cache (高速缓冲存储器)的叙述中，不正确的是 (A)
A、Cache的设置扩大了主存的容量
B、Cache的内容是主存部分内容的拷贝
C、Cache的命中率并不随其容量增大线性地提高
D、Cache 位于主存与CPU 之间

在程序执行过程中，高速缓存(Cache) 与主存间的地址映射由 (D)
A、操作系统进行管理
B、存储管理软件进行管理
C、程序员自行安排
D、硬件自动完成

主存与Cache的地址映射方式中， (A) 方式可以实现主存任意一块装入Cache中任意位置，只有装满才需要替换。
A、全相联
B、直接映射
C、组相联
D、串并联

考点3：主存编址计算

🐽主存-编址

🐽主存-编址与计算

字节、字、字长等多个概念

字节：
	1个字节等于8位，即1Byte=8bit
字：
	在计算机中，一串数码作为一个整体来处理或运算的，称为一个字。字的位数称为字长；字通常分若干个字节。
理解：若计算机字长64位，则一次可以处理的字位64/8=8B，进而计算按字寻址的范围。
地址线：存储单元的个数=存储容量=2 地 址 线 的 条 数 2^{地址线的条数}2 
地址线的条数，一个存储单元占一个字节(1B,也就是8位)。字节用来计量存储容量。一个cpu的N根地址总线，则可以说这个CPU的地址总线宽度为N。这样cpu最多可以寻址2^N个内存单元
字长：
	表示机器CPU的处理能力，即CPU在单位时间内能处理的最大二进制数的位数称为字长，即寄存器一次能处理的位数。
解释：若字长位32位，则1字(word) = 4字节(Byte)=32比特(bit)，表示存储器一次能存取4个存储单元，指令的长度位4个存储单元。

按字节寻址：
	一组地址线的每个不同状态对应一个字节的地址，存储空间的最小编址单位是字节。
	例如，对24位地址线的主存而言（也就是有24根地址线），按字节寻址，每根线有两个状态，那么24根地址线组成的地址信号就有2^24个不同的状态，每个状态对应一个字节的地址空间的话，那么24根地址线的可寻址空间为2^24B，即16MB。

按字寻址：
	一组地址线的每个不同状态对应一个字的地址，存储空间的最小编址单位是字。
	一个字由若干个字节构成，所以计算机在寻址过程中会区分字里面的字节，即会给字里面的字节编址，这样就会占用部分地址线，例如有24根地址线，机器字长为16位，若按字寻址的话，16位=2个字节，需要占用一根地址线用来字内寻址，这样就剩下23根地址线，故按字寻址范围是2^23W（W是字长的意思），也就是8MW。【真正用于按字寻址的地址线只有24-1=23根】

• 存储单元
  • 存储单元个数=最大地址-最小地址+1
• 编址内容
  • 按字编址：存储体的存储单元是字存储单元，即最小寻址单位是一个字
  • 按字节编地：存储体的存储单元是字节存储单元，即最小寻址单位是一个字节。
• 总容量=存储单元个数*编址内容
• 根据存储器所要求的容量和选定的存储芯片的容量，就可以计算出所需芯片的总数，即：总片数=总容量/每片的容量

🐽主存-例题

内存按字节编址，地址从A0000H到CFFFFH的内存，共有 (D) 字节，
若用存储容量为64K×8bit的存储器芯片构成该内存空间，至少需要 (B)片。
A、80KB  B、96KB  C、160KB  D、192KB
A、2   B、3   C、5   D、8

设机器字长为64位，存储器的容量为512MB,若按字编址，它可寻址的单位个数是（）。

七、输入输出技术

🐮数据传输控制方式

1. 程序控制（查询）方式：分为无条件传送和程序查询方式两种。
   • 方法简单，硬件开销小，但I/O能力不高，严重影响CPU的利用率。
2. 程序中断方式
   • 与程序控制方式相比，中断方式因为CPU无需等待而提高了传输请求的响应速度。（CPU与数据传输并行）
3. DMA方式（直接内存存取）
   • DMA方式是为了在主存与外设之间实现高速、批量数据交换而设置的。DMA方式比程序控制方式与中断方式都高效。
   • （DMAC向总线裁决逻辑提出总线请求；CPU执行完当前总线周期即可释放总线控制权。此时DMA响应，通过DMAC通知！I/O接口开始DMA传输。）
4. 通道方式
5. I/O处理机

1-5效率越来越高

中断处理过程：

1. CPU无需等待也不必查询I/O状态；
2. 当I/O系统准备好以后，发出中断请求信号通知CPU；
3. CPU接到中断请求后，保存正在执行程序的现场（保存现场），打断的程序当前位置即为断点；
4. （通过中断向量表）转入I/O中的服务程序的执行，完成I/O系统的数据交换；
5. 返回被打断的程序继续执行（恢复现场）。

🐮例题

计算机系统中常用的输入/输出控制方式有无条件传送、中断、程序查询和DMA方式等。当采用(D)方式时，不需要CPU执行程序指令来传送数据。
A.中断
B.程序查询
C.无条件传送
D.DMA

计算机运行过程中，遇到突发事件，要求CPU暂时停止正在运行的程序转去为突发事件服务，服务完毕，再自动返回原程序继续执行，这个过程称为 (B)，其处理过程中保存现场的目的是(C)。
B中断
A阻塞
C动态绑定
D静态绑定
A防止丢失数据
B防止对其他部件造成影响
C返回去继续执行原程序
D为中断处理程序提供数据

CPU是在 (D) 结束时响应DMA请求的。
A一条指令执行
B一段程序
C一个时钟周期
D一个总线周期

八、总线

🐗总线概念

一条总线同一时刻仅允许一个设备发送，但允许多个设备接收。（分时双工）

总线的分类

1. 数据总线 (DataBus): 在CPU与RAM之间来回传送需要处理或是需要储存的数据。
2. 地址总线 (Address Bus) : 用来指定在RAM (Random AccessMemory) 之中储存的数据的地址。
3. 控制总线 (Control Bus) : 将微处理器控制单元 (Control Unit)的信号，传送到周边设备。

🐗例题

以下关于总线的叙述中，不正确的是 (C)
A、并行总线适合近距离高速数据传输
B、串行总线适合长距离数据传输
C、单总线结构在一个总线上适应不同种类的设备，设计简单且性能很高
D、专用总线在设计上可以与连接设备实现最佳匹配

九、可靠性

1-2分

🐵系统可靠性分析—可靠性指标

平均无故障时间—>（MTTF）MTTF=1/λ，λ为失效率

平均故障修复时间—>（MTTR）MTTR=1/μ，μ为修复率

平均故障间隔时间—>（MTBF）MTBF=MTTR+MTTF

系统可用性—>MTTF/（MTTR+MTTF）*100%

在实际应用中，一般MTTR很小，所以通常认为MTBF≈MTTF。

可靠性可以用**MTTF/（1+MTTF）**来度量。

🐵串联系统与并联系统

串联模型

串联模型：N个子系统串在一起形成一个系统。所有的子系统都必须正常运行，整个系统才正常，只要有一个环节出问题了，整个系统就会出问题。

串联模型可靠度计算：R = R1 X R2 X R3 X … X Rn

比如R1,R2,R3都是0.9，则R=0.9^3 = 72.9%

串联模型失效率计算：失效率有可能是会大于1的，它只是一个简化公式，当失效率极低的时候可以快速计算结果。

并联系统

并联系统：是由多个系统并联在一起。多个子系统只要有一个能正常运行，系统就能正常运行。换句话说，只有全部子系统都出问题，则系统出问题。

并联系统可靠度计算

思路是计算全部子系统出问题的概率，得出不出问题的概率。

设R1是子系统1的可靠度，则失效是 1 - R1

R = 1 - （1-R1）x （1-R2） x （1-R3）… x （1-Rn）

比如R1,R2,R3均为0.1 则 R = 1-0.1^3 = 99.9%

2.18 串联系统与并联系统可靠度计算_并联系统的可靠性计算-CSDN博客 (opens new window)

🐵N模冗余系统

提高系统可靠性可以用冗余的方式进行。

如上图，R1，R2。。。Rn都做同样的计算，系统最终通过表决决定采纳哪个结果。

假设R1得到结果是1，R2也是1，R3得到0，通过表决器，输出应该是1，1占多数。此处的R3相当于出故障了，但是不会影响整个系统的运行。

几乎不会考。

🐵N模混合系统

重点

如上图，先判断他大体是串联还是并联。可以看出这个系统可以看分成3份独立系统的串联，大结构是串联，小结构是并联的系统。

1. 算出第二个系统的可靠度 1-（1-R）3
2. 算出第三个系统的可靠度 1-（1-R）2
3. 用串联公式计算整体可靠度 R X (1-（1-R）^3) x (1-（1-R）^2)

🐵例题

软件可靠性是指系统在给定的时间间隔内、在给定条件下无失效运行的概率。若MTTF和MTTR分别表示平均无故障时间和平均修复时间，则公式(A)可用于计算软件可靠性。
A、MTTF/(1+MTTF)
B、1/(1+MTTF)
C、MTTR/(1+MTTR)
D、1/(1+MTTR)

某系统由3个部件构成，每个部件的千小时可靠度都为R，该系统的千小时可靠度为 (1- (1-R)^2) R,则该系统的构成方式是(C)
A、3个部件串联 R*R*R=R^3
B、3个部件并联 1-(1-R)(1-R)(1-R)=1-(1-R)^3
C、前两个部件并联后与第三个部件串联   (1-(1-R)^2)R
D、第一个部件与后两个部件并联构成的子系统串联  (1-(1-R)^2)R

十、性能指标

🐒系统性能设计-性能指标

• 字长和数据通路宽度
  • 字长32bit：数据通路宽度=2^32=4G
• 主存容量和存取速度
• 主频与CPU时钟周期
  • 主频2.4GHZ：时钟周期=1/主频=1s/2.4GHZ
• 运算速度
• CPI与IPC
  • 平均每条指令的平均时钟周期个数 (CPl，clock perinstruction)
  • 每 (时钟)周期运行指令条数 (IPC，instruction per clocy)
• 吞吐量与吞吐率
• MIPS与MFLOPS
  • 百万条指令每秒 (MIPS，MillionInstructions Per Second)
  • 每秒百万个浮点操作 (MFLOPS，Milion Floating-pointOperations per Second)
  • MIPS=指令条数/（执行时间×10^6）=主频/CPI=主频×IPC
  • MFLOPS=浮点操作次数/（执行时间×10^6）
• 响应时间 (RT) 与完成时间 (TAT)
  • 响应时间 (RT，Response Time)
• 兼容性

🐒例题

软件质量属性中， (B)是指软件每分钟可以处理多少个请求。
A、响应时间
B、吞吐量
C、负载
D、容量

某计算机系统的CPU主频为2.8GHz。某应用程序包括3类指令，各类指令的CPI(执行每条指令所需要的时钟周期数)及指令比例如下表所示。执行该应用程序时的平均CPI为 (C); 运算速度用MIPS表示，约为（B）
     指令A  指令B  指令C
比例  35%   45%    20%
CPI   4     2      6
A.25
B.3
C.3.5 加权平均数=4*0.35+2*0.45+6*0.20=0.35
D.4
A.700
B.800
C.930
D.1100

1G=10^3M=10^6K=10^9
1/(3.5*(1/2.8G))=1/(3.5*(1/2.8*10^3M))=1/(1/0.8*10^3M)