软件设计师专题—计算机系统知识.ppt

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 6 7 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 tK 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 510 12 一 流水线技术 主要指标 C 4 3 5 100 1200B 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 60005 500 1 5 2500 17 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 B3t x 50 1 x 153tX 3t 吞吐率P单位时间内流水线能处理的任务数量P n TkN 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 Tk 20 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ES1 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 S2 24 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 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3 t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 12 t B 4 13 t C 4 14 t D 4 15 t A 2 3B 2 5C 2 7D 2 9 27 一 流水线技术 主要指标 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15 t流水线的功能段的时空区总数 15 tx4 60 t任务占用的时空区数 tx4 tx4 tx4 3 tx4 24 t所以2 5DB 29 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N2H 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TT1 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 T21 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 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 188888 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 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 000 001 010 011 100 101 110 111 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CB 52 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 16bit43FF 4000 3FF3FF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 20A 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 160M 56 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 等待读写的扇区转到磁头下方所用的时间 59 三 编址与存储相关计算 存储 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100MB 30M和25MC 60M和50MD 22 5M和25MA 800KBpsB 2048KBpsC 1024KBpsD 960KBps 60 三 编址与存储相关计算 存储 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 非格式化磁盘容量 位密度 圆内直径 总磁道数格式化磁盘容量 每道扇区数 每扇区字节数 总磁道数总磁道数 Ct m de di 2 磁道密度 4 30 10 10 2 8 3200非格式化容量 Cuf 总磁道数 内径磁道周长 位密度 3200 3 14 10 10 250 8 29 95M格式化容量 Cf 总磁道数 每扇区数 每扇区字节数 4 25M第一题选B平均数据传输速率 Cg 每磁道扇区数 每扇区字节数 转速 60 983040 960KB S接近DB 存于其他一盘面的同一编号的磁道上 62 三 编址与存储相关计算 存储 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 A6000msB8000msC10000msD12000ms 63 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 64 四 系统可靠性计算 相关概念 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 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 当 为常数时 可靠性与失效率的关系为 R t e t 65 四 系统可靠性计算 相关概念 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值MTBF 1 平均修复时间MTRF 可维修性 从故障发生到机器修复平均所需要的时间 66 四 系统可靠性计算 相关概念 计算机的可用性 使用效率 它以系统在执行任务的任意时刻能正常工作的概率A来表示 A MTBF MTBF MTRF 67 四 系统可靠性计算 相关概念 RAS技术可靠性R可用性A可维修性S 68 四 系统可靠性计算 可靠性模型 串联系统并联系统N模冗余系统 69 四 系统可靠性计算 可靠性模型 串联系统可靠性 R R1R2 Rn失效率 1 2 n 70 四 系统可靠性计算 可靠性模型 例 可靠度均为0 8的部件串联构成如图所示系统 则该系统的可靠度为 A 0 240B 0 512C 0 800D 0 992 0 8 0 8 0 8 0 512 72 四 系统可靠性计算 可靠性模型 并联系统R 1 1 R1 1 R2 1 Rn 失效率 73 四 系统可靠性计算 可靠性模型 某计算机系统的可靠性结构如图所示 双重串并结构 若所构成系统的每个部件的可靠度均为0 9 则该系统的可靠度为 A 0 8092B 0 9999C 0 9639D 0 729 74 四 系统可靠性计算 可靠性模型 N模冗余系统由N个 N 2n 1 相同的子系统和一个表决器组成 表决器把N个子系统中占多数相同结果的输出作为系统的输出 75 四 系统可靠性计算 可靠性模型 N模冗余系统 76 四 系统可靠性计算 可靠性模型 采用以下表决模型 若图中任何二个或三个子系输出相同 则选择该相同的输出作为系统输出 设单个子系统的可靠性为0 8时 整个系统的可靠性为 A 0 882B 0 896C 0 925D 0 94 3 1 0 8 0 8 0 8 0 8 0 8 0 8 0 384 0 512 0 896 78 四 系统可靠性计算 可靠性模型 某系统可靠性结构如图 设1 2 3的可靠度分别为09 0 7 0 7 若要求该系统的可靠度不低于0 75 则系统设计时 分配给部件4的可靠度至少应为 0 9 1 1 0 7 1 0 7 R4 0 75 多媒体 81 多媒体 音频和图形图像概念多媒体相关计算多媒体标准压缩技术 82 一 音频和图形图像概念 音频 声音三要素音量 声音强弱程度 音调 对声音频率的感觉 音调的高低 即声波的基频 音色 声音带宽 声音信号的频率范围 83 一 音频和图形图像概念 音频 人耳听到的音频范围20HZ 20KHZ人说话声音频范围300HZ 3400HZ乐器音频范围20HZ 20KHZ小于20HZ声波信号 次声波大于20KHZ声波信号 超声波 84 一 音频和图形图像概念 音频 声音信号的数字化采样 把时间连续的信号转换成离散 幅度连续的信号 在某些特定时刻获取声音信号的幅值量化 把在幅度上连续取值的每一个样本转换为离散值表示 85 一 音频和图形图像概念 音频 声音信号的数字化 86 一 音频和图形图像概念 音频 声音信号的数字化采样频率量化精度 87 一 音频和图形图像概念 图 图形矢量图用计算机指令或数学公式记录图信息图像位图用像素点来表示图区别 88 一 音频和图形图像概念 图 亮度 明暗程度色调 色的类别饱和度 某色的深浅程度 89 一 音频和图形图像概念 图 三色原理任何一种色都可以用三种基本色按不同比例混合得到的 光的三原色红 绿 蓝印刷三原色用能够吸收特定的光波而反射其他光波的油墨或颜料来实现 品红 黄 青 90 多媒体 音频和图形图像概念多媒体相关计算多