软件设计师教程的总结与复习资料

第一章计算机系统知识

1.计算机体系结构（计算机系统结构）

属性：硬件所能处理的数据类型、所能支持的寻址方式、CPU的内部寄存器、CPU的指令系统、主存的组织与主存的管理、中断系统的功能、输入输出设备及连接接口、计算机特性结构类型。

分类：(1)Flynn分类法(1966)：指令流、数据流、多倍性

按指令流和数据流的不同组织方式分：单指令流单数据流(SISD);单指令流多数据流(SIMD);

多指令流单数据流(MISD);多指令流多数据流(MIMD)。

(2)冯式分类法(1972)：最大平行度P m ：指计算机系统在单位时间内能够处理的最大的二进制位数。

设每个时钟周期△t i 内能处理的二进制位数为p i ，则T个时钟周期内平均并行度为：P a =(∑P i)/T ，

在T 周期内的平均利用率为：u=Pa/Pm=(∑Pi)/(T*Pm)。平均并行度取决于系统的运行程度，与应用程序无关。

按最大并行度进行分类：字串行、位串行(WSBS):N=1,M=1；字并行、位串行(WPBS):N=1,M>1；

字串行、位并行(WSBP):N>1,M=1；字并行、位并行(WPBP):N>1,M>1。

与计算机组成的区别：前者解决的问题是计算机系统总体上、功能上需要解决的问题，后者要解决的是逻辑上如何具体实现的问题；

指令系统的确定属于前者，而指令的具体实现属于后者；主存容量及编址方式的确定属于前者，而具体如何构成主存属于后者。

结构的并行性：内容：同时性、并发性

并行处理分类：存储器操作并行；处理器操作步骤并行(流水线处理机)；处理器操作并行(阵列处理机)。

指令、任务、作业并行（多处理机、分布式系统、计算机网络）

并行性的发展：精简指令集计算机(RISC)、指令集上并行的的超标量处理机、超级流水线处理机、超长指令计算机、

多微处理机系统、数据流计算机；大规模并行处理(MPP)的多处理机系统和多计算机系统。

2.存储系统：层次结构：CPU寄存器、高速缓存Cache、主存、辅存。

分类：按位置分：内存与外存；

按构成材料分：磁盘存储器

半导体存储器(元件分双极型和MOS型；数据是否刷新分静态SM和动态DM)

光盘存储器

按工作方式分：读写

只读：固定只读ROM、可编程只读PROM、可擦写可编程只读EPROM、

电擦除可编程只读EEPROM、闪存FM

按访问方式分：地址访问和内容访问；

按寻址方式分：随机（RAM）、顺序(SAM)、直接(DAM)。

相联存储器：工作原理：把数据或数据的某一部分作为关键字，将该关键字与存储器中的每一单元进行比较，

找出存储器中所有与关键字相同的数据字。

结构：输入检索寄存器：用来存放要检索的内容（关键字）

屏蔽寄存器：用来屏蔽不参与检索的字段

比较器：比较检索的关键字与存储体的每一单元

存储体：存放信息

匹配寄存器：记录比较的结果

数据寄存器：存放存储体中某一单元的内容

地址寄存器使相联存储器具有按地址查找的功能

地址译码器

作用范围：高速缓存；虚拟存储器中做段表、页表或快表存储器；DB和知识库。

高速缓存：含义：存放当前最活跃的程序和数据，作为主存局部域的副本。

特点：容量小，速度快，由快速半导体存储器构成，内容是主存局部域的副本，对程序员是透明的。

组成：控制部分：判断CPU要访问的信息是否在cache存储器中，若在为命中，反之没命中。

存储部分：存放主存的部分复制（副本）信息。

地址映像：含义：将主存地址转换成cache存储器的地址。

方法：直接映像：优点：地址变换简单；缺点：灵活性差

全相联映像：优点：主存的块调入Cache的位置灵活，不受限制；

缺点：无法从主存块号中直接获得Cache的块号，变换复杂，速度较慢。

组相联映像：组用直接映像方式；块用全相联映像方式

替换算法：目标：使cache获得最高的命中率。

类型：随机替换、先进先出、近期最少使用、优化替换

性能分析：等效访问时间t a =Ht c+(1-H)t m ，速度提高倍数r=t m/t a

（H为命中率，tc为存取时间，tm为主存的访问时间）

虚拟存储器：含义:是由主存、辅存、存储管理单元及操作系统中存储管理软件组成的存储系统。

分类：页式：页表硬件少，查表速度快，主存零头少；缺点：分页无逻辑意义，不利于存储保护

段式:优点：段的界限分明，支持程序的模块化设计，易编译、修改、保护程序段，便于多道程序的共享；

缺点：段的长度不一，主存利用率不高，产生大量内存碎片，造成浪费，段表庞大，查表速度慢。

段页式：优点：兼有前两者的优点；缺点：地址变换速度慢。

外存：磁盘存储器：构成：盘片、驱动器、控制器和接口。

类型：软盘、硬盘

光盘存储器：类型：只读型、只写一次型、可擦除型。

组成：光学、电学和机械部件

特点：记录密度高；存储容量大；采用非接触式读/写信息；信息可长期保持；

采用多通道记录时数据传送率可超过200MB/S；制造成本低；对机械结构的精度要求不高；存取时间较长。磁盘阵列技术：磁盘阵列是由多台磁盘存储器组成，一个快速大容量高可靠的外存子系统。

常见为廉价冗余磁盘阵列（RAID）,分为6级。

3.计算机指令结构: CISC：复杂指令集计算机

RISC：精简指令集计算机

作用：简化了CPU的控制器，提高了处理速度。

特点：指令种类少；指令长度固定，格式种类少；采用硬布线控制逻辑；

复杂寻址方式少（寄存器寻址方式、立即数寻址方式以及相对寻址方式）；设置最少的访内指令；

在CPU内部设置大量的寄存器；非常适合流水线操作。

4.输入输出技术：1.微机最常用的内存与接口的编址方式：

1）内存与接口地址独立(隔离)的编址方法：

优点：地址清楚，在编程或读程序中很易使用和辨认。

缺点：用于接口的指令太少，功能太弱。

2）内存与接口地址统一(混合)的编址方法：

优点：原则上用于内存的指令全部可用于接口，大大地增强了接口的操作功能。指令不区分内存或接口指令。

缺点：地址空间分为两部分，使内存地址不连续。内存与接口指令相同，读程序时指令难辨认。

2.直接程序控制：无条件传送

程序查询方式：缺点：降低了CPU的效率；对外部的突发事件无法做出实时响应。

3.中断方式：缺点：CPU必须等待I/O系统完成数据传输任务，整个系统的性能严重下降。

处理方法：多中断信号线法、中断软件查询法、菊花链法、总线仲裁法、中断向量表法。

优先级控制：当不同优先级的多个中断源同时提出请求时，CPU应优先响应优先级最高的中断源；

中断嵌套。

4.DMA方式：在进行数据传送时，CPU让出总线的控制权，由硬件中的DMA控制器接管总线控制权。

5.输入输出处理机(IOP):功能：提高主机的工作效率。

数据传送方式：字节多路方式、选择传送方式、数组多路方式