软考之软件设计师之第一战计算机系统概论重点和坑

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软考之软件设计师之第一战计算机系统概论重点和坑
- 坑1：
- **主存储器**
- 磁盘
- 总线
- 系统可靠性分析-串联系统
- **浮点数**
- 校验码
- 流水线技术

软考之软件设计师之第一战计算机系统概论重点和坑

高速缓存：
cache有如下特点：
●位于CPU和主存之间；
●容量小，一般在几KB到几MB之间；
●速度一般比主存快5~10倍，由快速半导体存储器制成；
●其内容是主存内容的副本，对程序员来说是透明的；
●既可存放程序又可存放数据。

cache主要由两部组成：控制部分和cache存储器部分。

cache存储器部分用来存放主存的部分拷贝（副本）。控制部分的功能是：判断CPU要访问的信息是否存在cache存储器中，若存在即为命中，若不在则没有命中。命中时直接对cache存储器寻址。未命中时，若是读取操作，则从主存中读取数据，并按照确定的替换原则把该数据写入cache存储器中；若是写入操作，则将数据写入主存即可。

坑1：

在以下设施中，存取速度最快的是（C）

A 主存 B cache C 寄存器 D高速磁盘

有些人可能第一反应就联想到了计算机的存储结构可由三级结构，所以第一反应就是B，结果错误，我们其实要以下列这张图为标准

最快的是CPU，再想想CPU由运算器和控制器组成，而运算器和控制器里面都包含寄存器，所以这里是C

高速缓存Cache的基本概念
① cache的功能：提高CPU数据输入输出的速率，突破冯•诺伊曼瓶颈，即CPU与存储系统之间数据传输宽带的限制。
② 在计算机的存储系统体系中，除了寄存器以外，cache是访问速度最快的层次。
③ 使用cache改善系统性能是依据程序的局部性原理。

一个小例题：

例：如果以h代表CPU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，使用“cache+主存”的系统平均周期为t3，则：t3 = t1 × h + t2 × (1-h)
其中，(1-h)又称为失效率(即未命中率)。

这里就运用到了上述的判断CPU要访问的信息是否存在cache存储器中，若存在即为命中，若不在则没有命中。命中时直接对cache存储器寻址。未命中时，若是读取操作，则从主存中读取数据，并按照确定的替换原则把该数据写入cache存储器中；若是写入操作，则将数据写入主存即可。

主存储器

主存一般由RAM和ROM这两种工作方式的存储器组成，其绝大部分存储空间由RAM构成。

读写存储器（Random Access Memory，RAM）既能读取数据也能存入数据的存储器。这类存储器的特点是它存储信息的易失性，即一旦去掉存储器的供电电源，则存储器所存信息也随之丢失。

固定只读存储器（Read　Only　Memory，ROM）这种存储器是在厂家生产时就写好数据的，其内容只能读出，不能改变。所以这种存储器又称为掩膜ROM。这类存储器一般用于存放系统程序BIOS和用于微程序控制。（这里记住固定的是厂家已经写好了的，不可改变）

可编程的只读存储器（Programmable　Read　Only　Memory，PROM）其中的内容可以由用户一次性地写入，写入后不能修改。（这里记住只能改一次）

可擦除可编程的只读存储器（Erasable　Programmable　Read　Only　Memory，EPROM）其中的内容既可以读出，也可以由用户写入，写入后还可以修改。改写的方法是，写入之前先用紫外线照射１５～２０分钟以擦去所有信息，然后再用特殊的电子设备写入信息。（这里记住改的方式是紫外线照射）
电擦除的可编程的只读存储器（Electrically　Erasable　Porgrammable　Read　Only　Memory，EEPROM）与EPROM相似，EEPROM中的内容既可以读出，也可以进行改写。只不过这种存储器是用电擦除的方法进行数据的改写。（和上一个类似记忆，改变的方法是电擦除）
闪速存储器（Flash Memory）简称闪存，闪存的特性介于EPROM和EEPROM之间，类似于EEPROM，闪存也可以使用电信号进行信息的擦除操作。整块闪存可以在数秒内删除，速度远快于EPROM。

反映主存性能的主要术语

存储周期（Memory Cycle Time，MCT）是指连续两次存储器访问的最小时间间隔，记作Tm。

带宽（bandwidth）指存储器的数据传送速率，即每秒传送的数据位数，记作Bm。假设存储器传送的数据宽度为W位（即一个存储周期中读取或写入的位数），那么：Bm=W/Tm（b/s）。

来看个关于主存的经典题目：

第一空：C7FFF - AC00 +1 = C8000 -AC000 = 1C000
将16进制转成十进制再除以1024得到112 K

第二空：一共112个地址单元每个地址16位所以总共需要
16 * 112 位的空间
因此（16 * 112K） / （16K * 28 * x)
得出每片存储单元有x位 x = 4

磁盘

这两个指标需要知道

硬磁盘的主要技术指标如下：
●道密度：为了减少干扰，磁道之间要保持一定的间隔，沿磁盘半径方向，单位长度内磁道的数目称为道密度。常用的道密度单位是：道/毫米，或道/英寸。
●位密度：位密度是指在磁道圆周上单位长度内存储的二进制位的个数。常用的位密度单位是：b/mm，或b/in。为了简化电路设计，规定每个磁道上记录的位数是相同的。由于磁盘中各个磁道的圆的周长不同，因此不同磁道上记录的位密度是不一样的，越靠近盘芯的磁道位密度就越高，并用最内圈磁道的位密度来定义磁盘的位密度。

●存储容量：是指整个磁盘所能存储的二进制位信息的总量。磁盘的容量有非格式化容量和格式化容量之分。一般情况下磁盘容量是指格式化容量。
非格式化容量=位密度内圈磁道周长每个记录面上的磁道数记录面数
格式化容量=每个扇区的字节数每道的扇区数每个记录面的磁道数记录面数
●平均存取时间：是指从发出读写命令开始，磁头从某一位置移动到指定位置并开始读写数据所需时间**。它包括寻道时间和等待时间，是两者之和。**
●寻道时间（seek time）：是指磁头移动到目标磁道（或柱面）所需要的时间，由驱动器的性能决定，是个常数，由厂家给出。

●等待时间（rotational latency）：等待时间是指等待读写的扇区旋转到磁头下方所用的时间，**一般选用磁道旋转一周所用时间的一半作为平均等待时间。**可见，提高磁盘转速可缩短这个时间。
存取时间=寻道时间+等待时间
●数据传输率：是指磁头找到数据的地址后，单位时间内写入或读出的字节数。
数据传输率=每个扇区的字节数每道扇区数磁盘的转速

来个大招：

看这个题目：

我们先画个图：

处理一个数据要花的时间为3ms，这里尤其注意是单缓冲区顺序处理，这个意思我我沿着顺序执行，磁盘也在转动着，我们这里先执行着r0，r0执行完后，我们的指针会到了R2的，这里是重点，下一次为R4，那么R1要多久才能执行到一次呢，答案是36ms，所以我们从R0到R1花了36ms，一共会有10次。所以结果为：33+3=36，33是周期，3是我们先执行了，R0花的时间，所以我们可以计算得到33*10+3+3=366，第二问就是两个周期66ms。

总线

总线是连接多个设备的信息传送通道，实际上是一组信号线。广义地讲，任何连续两个以上电子元器件的导线都可以称为总线。

小记以下几个常见的内部总线标准有：

ISA是工业标准总线，EISA总线是在ISA总线的基础上发展起来的３２位总线。PCI总线是目前微型机上广泛采用的内总线。

还有外总线：

RS－２３２C是一条串行外总线，

SCSI（小型计算机系统接口）是一条并行外总线，广泛用于连接软硬磁盘、光盘、扫描仪等

USB通用串行总线USB近几年得到广泛的应用

IEEE１３９４由６条信号线组成，

系统可靠性分析-串联系统

串联系统模型：n个子系统串联成为一个大系统

已知各个子系统的可靠性分别为R1、R2、……、Rn，求整个系统的可靠度R。

可靠度R = R1×R2×……×Rn

失效率λ = λ1+λ2+……+λn

并联系统模型：n个子系统并联成为一个大系统

可靠度R = 1-(1-R1)×(1-R2)×……×(1-Rn)

或R = 1-λ1×λ2×……×λn

λ = 1-R（1减可靠度）

关于进制转换以及反码补码的计算这里就不多详述，这是是每个考生多应该会的内容，这里讲一点重点必考

浮点数

今天遇见了一个关于浮点数的问题，这里放出来讲讲一个知识点

问题是：浮点数由以下三个部分组成，符号位S,指数部分E和尾数部分M。在总长固定的情况下，增加M的尾数，减少E的尾数可以_______

答案是减小可表示的数的范围同时提高精度。

为什么？，这里记住一点浮点数的大小由阶码确定，精度由尾数确定。

校验码

先讲讲码距的概念：

一个编码系统的码距是整个系统中任意两个码字的最小举例。
例如：用1位长度的二进制编码：如果合法字符A=1，B=0，则AB之间的码距为1。
用2位长度的二进制编码：如果合法字符A=11，B=00，则AB之间的码距为2。
用3位长度的二进制编码：如果合法字符A=111，B=000，则AB之间的码距为3。

奇偶校验码，海明码，CRC校验码这三种必有一个会出考题。

奇偶校验码应该都会就不多说，主要说说海明码和CRC校验码。这两个比奇偶校验码难度大一点

海明码：

汉明码也是利用奇偶性来检错和纠错的校验方法。汉明码的构成方法是：在数据位之间插入n个校验位，通过扩大码距来实现检错率和纠错。
例如：对于8位的数据位，进行汉明校验需要4个校验位。令数据位为D7、D6、D5、D4、D3、D2、D1、D0，校验位为P3、P2、P1、P0，形成的汉明码为H12、H11、……、H3、H2、H1，则编码过程如下：
①首先确定校验码P在汉明码中的个数n和位置，求校验位个数n的公式为2^{n>=R+n+1**，**P在2}n的位置，如下所示：
H12 H11 H10 H9 H8 H7 H6 H5 H4 H3 H2 H1
D7 D6 D5 D4 P3 D3 D2 D1 P2 D0 P1 P0

②转换信息位：
将每一位信息位转换成阶乘方式，其中D0在汉明码的第三位，其值为3，D2在第五位，其值为5。
各位信息码转换成信息位为：
D0=3=2¹⁺²0 D4=9=2³⁺²0
D1=5=2²⁺²0 D5=10=2³⁺²1
D2=6=2²⁺²1 D6=11=2³⁺²1+2^0
D3=7=2²⁺²1+2^0 D7=12=2³⁺²2

通过信息位确定各Pi的值；（异或）
P0偶校验：P0、D0、D1、D3、D4、D6，即P0=D0⊕D1⊕D3⊕D4⊕D6
P1偶校验：P1、D0、D2、D3、D5、D6，即P1=D0⊕D2⊕D3⊕D5⊕D6
P2偶校验：P2、D1、D2、D3、D7，即P2=D1⊕D2⊕D3⊕D7
P3偶校验：P3、D4、D5、D6，D7、即P3=D4⊕D5⊕D6⊕D7
（Pn等于包含有相对应2n项的信息码相异或）
若采用奇校验，则将各校验位的偶校验值取反即可。

这里确定P0是哪些值进行异或运算，我们是看上面D0到D7里面哪些是包含的由2^0。

③检测错误
对使用汉明码的数据进行差错检测很简单，只需进行以下计算：
G1=P0⊕D0⊕D1⊕D3⊕D4⊕D6
G2=P1⊕D0⊕D2⊕D3⊕D5⊕D6
G3=P2⊕D1⊕D2⊕D3⊕D7
G4=P3⊕D4⊕D5⊕D6⊕D7
若采用偶校验，则G4G3G2G1全为0时表示接收到的数据无错误（奇校验则对应全为1）.当G4G3G2G1不全为0说明发生了差错，而且G4G3G2G1的十进制指出了发生错误的位置，例如G4G3G2G1=1010，说明H10（D5）出错了，将其取反即可纠正错误。

例：设数据为01101001，试采用4个校验位求其偶校验方式的汉明码。
解：D7D6D5D4D3D2D1D0=01101001，根据公式
P0=D0⊕D1⊕D3⊕D4⊕D6=1⊕0⊕1⊕0⊕1=1
P1=D0⊕D2⊕D3⊕D5⊕D6=1⊕0⊕1⊕1⊕1=0
P2=D1⊕D2⊕D3⊕D7=0⊕0⊕1⊕0=1
P3=D4⊕D5⊕D6⊕D7=0⊕1⊕1⊕0=0
因此，求得的汉明码为：
H12 H11 H10 H9 H8 H7 H6 H5 H4 H3 H2 H1
D7 D6 D5 D4 P3 D3 D2 D1 P2 D0 P1 P0
0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 1

CRC校验码

循环冗余校验码是由两部分组成的，左边为信息码（数据），右边为校验码；若信息码占k位，则校验码就占n-k位。其中，n为CRC码的字长，所以又称为（n，k）码。校验码是由信息码产生的，校验码位数越长，此代码的校验能力就越强。在求CRC编码时，采用的是模2运算。
模2除运算加减运算的规则是：按位运算，不发生错位和进位，如下所示：
0+0=0 1+0=1 0+1=1 1+1=0
0-0=0 1-0=1 0-1=1 1-1=0
也就是异或运算。

我们直接例题说话：

例：在冗余校验码中，多项式为X^4+X1+1，信息码为10111，则计算出的CRC校验码是多少？
解：
①根据多项式X^4+X1+1=1X2^4+0X23+0X2^2+1X21+1X2^0=10011
②多项式X的最高次方为4次方，则在信息码后面补4个0，得到101110000
③把调整的信息码和多项式相除：101110000/10011=10100余1100
④得到的余数就是校验码，则校验码为1100
则相应的CRC校验码为101111100。
验错：如果CRC校验码除多项式有余数则说明存在错误，否则没有错误。

流水线技术

流水线是指在程序指令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。流水线是针对不同指令而言，各种部件同时工作，可以为多条指令的不同部分进行同时处理，提高了各部件的利用率和指令的平均执行速度。
程序由多条指令组成，一条指令又分为取指、分析和执行三个阶段。

例题：若指令流水线把一条指令分为取指、分析和执行三个阶段，这三个阶段的执行时长分别为1ns、2ns、2ns。那么，流水线周期是多少？100条指令全部执行完毕需要的总时间是多少？
解析：（1）为了方便计算，流水线周期（Δt）以耗时最长的阶段为准
（2）流水线执行时间的计算公式：
①理论公式：（t1+t2+……+tk）+（n-1）* Δt
第1条指令的执行时间t+（指令条数n-1） * 流水线周期Δt
②实践公式：（k+n-1）* Δt
（阶段数k+指令条数n-1） *流水线周期Δt
一般用理论公式，若答案中没有理论公式计算出的结果，就按实践公式来。

完成相同的任务，不使用流水线所占用时间与使用流水线所占用时间的比值称为流水线的加速比。
计算流水线加速比的基本公式为：

流水线的效率是指流水线的设备利用率。在时空图上，流水线的效率定义为n个任务占用的时空区与k个流水段总的时空之比。