计算机组成原理概述(doc23页)

1、第一章计算机组成原理本部分要求掌握计算机方面的基础知识， 包括计算机的发展、 计算的系统组成、 基本组成和工 作原理、计算机的数制数据表示以及运算校验、指令系统以及计算机系统的安全等基础性的知识。 内容多而且复杂，尤其是有关计算机硬件方面的内容，很细而且灵活性不高，知识量相当大，掌握 这部分一定要多下功夫，学会取舍、把握重点、抓住要害。1.1考试大纲及历年考题知识点1.1.1大纲要求考试要求：1 掌握数据表示、算术和逻辑运算；2掌握计算机体系结构以及各主要部件的性能和基本工作原理考试范围1 计算机科学基础1.1数制及其转换二进制、十进制和十六进制等常用制数制及其相互转换1.2数据的表示? 数的

2、表示（原码、反码、补码、移码表示，整数和实数的机内表示，精度和溢出）? 非数值表示（字符和汉字表示、声音表示、图像表示）? 校验方法和校验码（奇偶校验码、海明校验码、循环冗余校验码）1.3算术运算和逻辑运算? 计算机中的二进制数运算方法? 逻辑代数的基本运算和逻辑表达式的化简2计算机系统知识2.1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2.2存储系统

3、? 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2.3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1.2计算机科学基础1.2.1数制及其转换1、 R 进制转换成十进制的方法按权展开法 :先写成多项式 ,然后计算十进制结果. 举例：(1101.01)2=123+1 22+0 21+1 20+ 0 2-1+1 2-2 =8+4+1+0.25=13.25(237)8=282+3 81+7 80 =128+24+7=159(10D) 16=1162+13 160=256+13=26

4、92、 十进制转换成二进制方法一般分为两个步骤：? 整数部分的转换除 2 取余法（基数除法）? 小数部分的转换乘 2 取整法（基数乘法）例：求（ 75.453） 10 二 制（取解：整数部分 :2 |7512|3714 位小数） .01把余数写下来：由下至上写得1001011小数部分：0.45320 906021 812121 624121 2481 ： 位留，乘 略。由上至下写得：0111（取 4 位小数）最后 果： 1001011.0111(10 制 8， 16 制 似 )3、 其它 制之 的直接 法例 : 二 8,16 制 (1000100.1011)2 =(104.54) 8=(44.

5、B) 161.2.2数据的表示机器数： 算机中表示的 符号的二 制数。把符号位和数字位一起 来表示相 的数的各 种表示方法。机器数有四种表示方法即原 、 、反 和移 。【概念：定点数】1.原 表示法 原 表示法用“ 0”表示正号，用“ 1”表示 号，有效 部分用二 制的 表示。（1） 0 的表示： 于0，原 机器中往往有“+0”、“ -0”之分，故有两种形式：+0 原 =0000.0-0 原 =1000.0（ 2）表示范 ：原 小数的表示范 : 1X1原 整数的表示范 :? 最大 : 2n-1 【 n 指除符号位外的二 制位数】? 最小 :-(2n-1)2. 表示法（1） 0 的表示： 于0，

6、 0 0 00000注意， 0的 表示只有一种形式。（ 2）表示范 ：定点小数： -1=X1定点整数：-2n= X 2n（ 3）原 与 之 的 ：知原 求 正数X 补 =X 原 数符号除外，各位取反，末位加1例： X= -01001001X 原 =11001001，X 补 =10110110+1=101101113 反 表示法正数的表示与原 相同， 数是保持原 符号位不 ，数 位是将原 的数 按位取反（1） 0 的表示：+0 反 =00000000 ；-0 反 =11111111（2）表示范 同原 4.移 表示法 的符号位取反就得到移 （ 1） 0 的表示： 100000（ 2）例： X1 =

7、 0101 0101X1 补 =0101 0101X1 移 =1101 0101X2 = -0101 0101X2 补 =1010 1011X2 移 =0010 1011 制表示法小 X 原、 X 反 、 X 用“ 0”表示正号，用“ 1”表示 号；X 移用“ 1”表示正号，用“ 0”表示 号。如果 X 正数， X 原 =X反 =X 。如果 X为0， X 补、 X 移有唯一 ，X 原、 X 反 有两种 。移 与 的形式相同，只是符号位相反。例：若 FFH是一个整数的原 表示， 整数的真 _(45)_ ：若 FFH是一个整数的 表示， 整数的真 _(46)_ 。(45)A 127B 0C -12

8、7 D -1(46)A 127B 0C -127D -1C D 把 FFH化 二 制： 11111111原 很 ， 看符号位 1，后 7 取反 1 可得真值为 1，再加上符号位得 11.2.3 字的表示方法1. 字的 入 数字 ：常用的是国 区位 ，用数字串代表一个 字 入。拼音 ：拼音 是以 字拼音 基 的 入方法。字形 ：字形 是用 字的形状来 行的 。2. 字内 字内 是用于 字信息的存 、交 、 索等操作的机内代 ，一般采用两个字 表示。英文字符的机内代 是七位的ASCII ，当用一个字 表示 ，最高位 “0”。 了与英文字符相互区 ， 字机内代 中两个字 的最高位均 定 “1”。3.

9、 字字模 字模 是用点 表示的 字字形代 ，它是 字的 出形式。根据 字 出的要求不同， 点 的多少也不同。 字模点 的信息量很大， 所占存 空 也很大。 因此字模点 只能用来构成 字 ，而不能用于机内存 。字 中存 了每个 字的点 代 。当 示 出或打印 出 才 索字 ， 出字模点 ，得到字形。注意： 字的 入 、 字内 、字模 是 算机中用于 入、内部 理、 出三种不同用途的 ，不要混 一 。例：已知 字“大”的国 3473H，其机内 _(2)_ 。(2)A. 4483H B. 5493HC. B4F3H D.74B3H解： 3473H 二 制（占两个字 ），把每字 的最高位置“1”，再

10、回16 制即得机内 。1.2.4 校 元件故障、噪声干 等各种因素常常 致 算机在 理信息 程中会出 。 了防止 ， 可将信号采用 的 路 行 以 ，甚至校正 。通常的方法是，在每个字上添加一些校 位，用来确定字中出 的位置。1、 奇偶校 ( 0 1 n-1)是一个 n位字， 奇校 位定 C 0 1 n-1 (2.15)式中代表按位加，表明只有当中包含有奇数个1 ，才使 C 1，即 C 0。偶校 位定 C 0 1 n-1 (2.16)即中包含偶数个1 ，才使 C0。假 一个字从部件A 送到部件B。在源点A ，校 位 C 可用上面公式算出来，并合在一起将 ( 0 1 n-1C)送到 B 。假 在

11、B点真正接收到的是( 0 1n-1C ) ，然后 算F 0 1 n-1 C 若 F 1 ，意味着收到的信息有 ，若 F 0，表明字 送正确。奇偶校 可提供 个错误检 ，但无法 多个 ，更无法 信息的位置。 例 已知下表中左面一 有 5 个字 的数据。 分 用奇校 和偶校 行 ，填在中 一 和 右面一 。 解 :假定最低一位 校 位，其余高8 位 数据位，列表如下。从中看出，校 位的值取0 是取 1，是由数据位中1的个数决定的。数据偶校 奇校 1 0 1 0 1 0 1 01 0 1 0 1 0 1 0 01 0 1 0 1 0 1 0 10 1 0 1 0 1 0 00 1 0 1 0 1 0

12、 0 10 1 0 1 0 1 0 0 00 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 10 1 1 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 1 1 01 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 01 1 1 1 1 1 1 1 11.2.5数据格式 算机中常用的数据表示格式有两种: 一是定点格式， 二是浮点格式定点格式容 的数 范 有限，但要求的 理硬件比 。浮点格式容 的数 范 很大，但要求的 理硬件比 复 。1、定点表示法定点格式：小数点位置固定的数。 算机中的定点数一般只采用 整数或

13、者 小数形式，分 称 定点整数和定点小数。2、浮点表示法浮点格式：小数点位置不固定的数。把一个数的有效数字和数的表示范围在计算机中分别表示。（1）浮点数格式一个任意进制的数N 可以写成：EN = R * MM: 浮点数的尾数（ mantissa)，一般用定点小数表示E:浮点数的阶码 (exponent)，一般用定点整数表示R:基数 (radix) ，一般为2，8 或 16。计算机中，常用补码进行加减运算补码可将减法变加法进行运算补码运算特点：符号位数值位一同运算定点补码运算在加法运算时的基本规则：X 补 +Y 补 = X+Y 补（两个补码的和等于和的补码）定点补码运算在减法运算时的基本规则:X

14、-Y 补 =X 补 +-Y 补2、 补码加法 负数用补码表示后，可以和正数一样来处理。这样，运算器里只需要一个加法器就可以了，不必为了负数的加法运算，再配一个减法器。补码加法的公式是 补 补 补 (mod 2)补码加法的特点加，即超过2: 一是符号位要作为数的一部分一起参加运算，二是要在模的进位要丢掉。2 的意义下相 例 0.1001， 0.0101 ，求。 解 : 补 0.1001 ， 补 0.0101 补0.1001 补 0.0101 补0.1110所以 0.11103、 补码减法：数用补码表示时，减法运算的公式为 补 补 补 补 补从 补求 补的法则是：对 补包括符号位“求反且最末位加

15、1”，即可得到 补。 例 已知 1 0.1110， 2 0.1101，求： 1补， 1补， 2补， 2补。 解 : 1补 1.0010 1 补 0.1110 2补 0.1101 2 补 1.00114、 溢出概念与检测方法在定点小数机器中，数的表示范围为| |1.在运算过程中如出现大于1的现象，称为“溢出”。在定点机中，正常情况下溢出是不允许的。 例 0.1011， 0.1001，求。 解 : 补 0.1011 补 0.1001 补0.1011 补0.1001 补1.0100两个正数相加的结果成为负数，这显然是错误的。 例 0.1101， 0.1011，求。 解 : 补 1.0011 补 1.

16、0101 补1.0011 补1.0101 补0.1000两个负数相加的结果成为正数，这同样是错误的。上溢 : 两个正数相加，结果大于机器所能表示的最大正数。下溢 :两个负数相加，结果小于机器所能表示的最小负数。溢出检测方法 : 双符号位法和单符号位法。双符号位法：运算结果的二符号位相异时,表示溢出；相同时,表示未溢出。故溢出逻辑表达式为V Sf1 Sf2,其中 Sf1 和 Sf2 分别为最高符号位和第二符号位。此逻辑表达式可用异或门实现。单符号位法：如上两例，当最高有效位产生进位而符号位无进位时,产生上溢；当最高有效位无进位而符号位有进位时,产生下溢。故溢出逻辑表达式为V Cf Co,其中 C

17、f 为符号位产生的进位 ,Co 为最高有效位产生的进位。此逻辑表达式也可用异或门实现。5、 逻辑运算 计算机中除了进行加、减、乘、除等基本算术运算外，还可对两个或一个逻辑数进行逻辑运算。 计算机中的逻辑运算，主要是指逻辑非、逻辑加、逻辑乘、逻辑异四种基本运算。1)逻辑非运算逻辑非也称求反。 对某数进行逻辑非运算，就是按位求它的反，常用变量上方加一横来表示。2)逻辑加运算对两个数进行逻辑加，就是按位求它们的“或” ，所以逻辑加又称逻辑或，常用记号“ V ” 或“”来表示。 例 10100001， 10011011，求。 解 :1 0 1 0 0 0 0 11 0 0 1 1 0 1 11 0 1

18、 1 1 0 1 1即101110113)逻辑乘运算对两数进行逻辑乘，就是按位求它们的“与” ，所以逻辑乘又称“逻辑与” ，常用记号“”或“”来 表示。 例 10111001， 11110011，求。 解 :1 0 1 1 1 0 0 11 1 1 1 0 0 1 11 0 1 1 0 0 0 1即101100014)逻辑异运算对两数进行异就是按位求它们的模2 和，所以逻辑异又称 “按位加”，常用记号 “” 表示。 例 10101011， 11001100，求。 解 :1 0 1 0 1 0 1 11 1 0 0 1 1 0 00 1 1 0 0 1 1 1即 011001116、浮点加法、减

19、法运算 有两个浮点数和，它 分 Ex 2. M 其中 E和 E分 数和的 ， M 和 M 数和的尾数步 ： -求和差 - 格化 -舍入1、 ：即 两数的小数点使两数的 相等 原 ：小 向大 看 即小 的尾数每右移一位， +1。2、求和 /差： 之后 行尾数运算。 （尾数按 加减运算 运算）3、 格 化：当浮点数大于0 ，其 格化尾数 ：M=0.1xxx x-2n-1 E 2n-1 1当浮点数 0 ，其 格化尾数 ：M=0.00 0E=0当浮点数小于0 ，其 格化尾数 ：M=1.0xxx x-2n-1 E 2n-1 1 尾数求和的 果，可能出 下列6 种情况： M 补 =00.1M 补 =11.

20、0M 补 =00.0M 补 =11.1M 补 =10. M 补 =01. 其中 符合 格化数的定 ，是 格化数 需使尾数左移、 减1，直至 足 格化要求称 左 在浮点运算中表明尾数之和 大于1， 将尾数右移 格化称 右 若两浮点数求和后运算 果 ：A+B 浮 =0011 11.1101非 格化浮点数， 左 ， 果 ：A+B 浮=000111.0100若两浮点数求和后运算 果 ：C+D 浮 =0101 01.0010非 格化浮点数， 右 ， 果 ：C+D 浮=011000.10014、舍入操作“0 舍 1入”法：即移掉的最高位 1 在尾数末位加1； 0 舍去移掉的数 。末位恒 1 法：即右移 ，

21、 掉移出的原低位上的 并将 果的最低位置1。5、 溢出判断 无溢出加减运算正常 束 下溢运算 果置 机器 0 上溢置溢出 志010100 例 20.11011011， 2 ( 0.10101100)，求。假 两数均以 表示， 采用双符号位，尾数采用 符号位， 它 的浮点表示分 浮 00 010 ，0.11011011 浮 00 100 ，1.01010100求 差并 E E E E 补 E 补 00 010 11 100 11 110（11 110 补码转原码 若是负数，则数值位取反1 得原码： 11 010故下一句说是2）即 E 为 2，的阶码小，应使 M 右移两位， E加 2， 浮 00

22、100 ， 0.00110110(11)其中 (11)表示 M 右移2 位后移出的最低两位数。尾数求和0. 0 0 1 1 0 1 1 0 (11) 1. 0 1 0 1 0 1 0 01. 1 0 0 0 1 0 1 0 (11)规格化处理尾数运算结果的符号位与最高数值位同值，应执行左规处理，结果为1.00010101(10) ，阶码为 00 011。舍入处理采用0 舍 1 入法处理，则有1. 0 0 0 1 0 1 0 111. 0 0 0 1 0 1 1 0判溢出阶码符号位为00，不溢出，故得最终结果为 2011 ( 0.11101010)1.3计算机硬件系统结构1.3.1计算机的硬件组

23、成计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成。1.3.2计算机硬件的典型结构1、单总线结构2、以CPU 为中心的双总线组成结构3、以存储器为中心的双总线组成结构1.4计算机基本工作原理1.4.1中央处理机CPU1、 CPU 的组成(1) 运算器 运算器是对数据进行加工处理的部件，它主要完成算术运算和逻辑运算，完成对数据的加工与处理。不同的计算机，运算器的结构也不同，但最基本的结构都是由算术逻辑运算单元 （ ALU ）、 累加器ACC 、寄存器组、 多路转换器和数据总线等逻辑部件组成。/(2) 控制器 计算机能执行的基本操作叫做指令，一台计算机的所有指令组成指令系统。指令

24、由操作码和地址码两部分组成， 操作码指明操作的类型， 地址码则指明操作数及运算结果存放的地址。 控制器是由程序计数器（简称 PC）、指令寄存器、指令译码器、状态条件寄存器、时序产生器、微操作信号发生器组成例：控制机器指令执行的微程序存放在_(52)_中。(52) A控制存储器B 指令寄存器C内部存储器D SRAM执行过程： 指令指令寄存器译码器（译出微指令）微操作形成部件（控制存储器）2、 CPU 的功能(1) 程序控制(2) 操作控制(3) 时间控制(4) 数据处理1.5计算机体系结构计算机体系结构分类：（1）Flynn 分类法按指令流和数据流的不同组织方式，把计算机体系结构分为如下四类：单

25、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 ）。SISD: 如流水线处理机(IS 指令流 ,DS 数据流 ,MM主存 ,PU 处理单元 ,CU 控制单元 )SIMD： 并行处理机、阵列处理机、向量处理机、相联处理机、超标量处理机、超流水线处理机、 .MISD 几条指令对同一个数据进行不同处理，实际上不存在MIMD 多处理机系统，包括：紧密偶合：IBM3081、IBM3084、UNIVAC-1100/80松散偶合： D-825、Cmmp、CRAY-2（2）冯式分类法1972年冯泽云提出用最大并行度来对计算机体系结构进行

26、分类。所谓最大并行度Pm是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。1.5.1系统结构中并行性的发展（1）并行性并行性包括两个侧面：同时性和并发性。同时性是指两个或两个以上的事件在同一时刻发生。同一时间间隔内连续发生。并发性是指两个或两个以上的事件在充分利用并行性实现计算机的并行处理，从而提高计算机的处理速度（2）从计算机信息处理的步骤和阶段的角度，并行处理可分为：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、分布处理系统、计算机网络）。（ 3）并行性的发展 从上世纪八十年代开始， 在计算机系统结构上有了很大发展，

27、相继出现了精减指令集计算机（ RISC）、指令级上并行的超标量处理机、超级流水线处理机、超长指令计算机、多微处理机系统、数据流计算机等。九十年代以来，最主要的发展是大规模并行处理（ MPP），其中多处理机系统和多计算机系统 是研究开发的热点。1.5.2存储系统1. 存储器的层次结构存储体系结构包括不同层次上的存储器 , 通过适当的硬件、软件有机地组合在一起形成计算机 的存储体系结构。三级存储结构是高速缓存（Cache）、主存储器（ MM ）和辅肋存储器（外存储器）。2. 存储器的分类(1) 按存储器所处的位置，可分为内存和外存(2) 按构成存储器的材料，可分为磁存储器、半导体存储器和光存储器。

28、(3) 按工作方式可分为读写存储器和只读存储器。只读存储器根据数据的写入方式，这种存储器又可细分为 ROM 、PROM 、 EPROM 、 EEPROM 、闪速存储器等类型。(4) 按访问方式可分为按地址访问的存储器和按内容访问的存储器。(5) 按寻址方式分类可分为随机存储器、顺序存储器和直接存储器。 随机存储器（ Random Access Memory ， RAM ）这种存储器可对任何存储单元存入或读取数据，访问任何一个存储单元所需的时间是相同的。 顺序存储器（ SequentiallyAddressedMemory ，SAM ）访问数据所需要的时间与数据所在的 存储位置相关，磁带是典型的

29、顺序存储器。 直接存储器 （ Direct Addressed Memory ，DAM ）介于随机存取和顺序存取之间的一种寻址方式。磁盘是一种直接存取存储器，它对磁道的寻址是随机的，而在一个磁道内，则是顺序寻址。3. 相联存储器 相联存储器是一种按内容访问的存储器。其工作原理就是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。4. 高速缓存 Cache高速缓存 Cache 是用来存放当前最活跃的程序和数据，作为主存局部域的副本， 其特点是：容 量一般在几 KB到几 MB 之间；速度一般比主存快5 到 10倍，由快速半导体存储器构

30、成；其内容是主存局部域的副本，对程序员来说是透明的。1.5.2.1 高速缓存的组成Cache 由两部分组成：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）信息。控制部分的功能是： 判断 CPU要访 问的信息是否在Cache 存储器中，若在即为命中，若不在则没有命中。命中时直接对Cache 存储器 寻址。未命中时， 要按照替换原则， 决定主存的一块信息放到Cache 存储器的哪一块里面。（2）高速缓存中的地址映像方法在 CPU 工作时 , 送出的是主存的地址 , 而应从 Cache 存储器中读写信息。 这就需要将主存地址 转换成 Cache 存储器的地址，

31、 这种地址的转换叫做地址映像。 Cache 的地址映像有三种方法。1.5.2.2Cache 的地址映象方法：1.全相联映射方式主存中任一块（页）都可以映射到cache 中的任一块（页）上。特点：1） 内存不用分区2） Cache 块内字节数内存块内字节数3） Cache 标记精确到主存的块，若主存分2048 块，则需11 位标记，（ 2 的 11 次方）这种方法可使主存的一个块直接拷贝到cache 中的任意一行上，非常灵活。它的主要缺点是比较器电路难于设计和实现,因此只适合于小容量cache 采用图中 CACHE8 块（页），内存 256 块（页），每块 512 字节主存：8 位Cache：主

32、存块号3 位Cache 标记： 8 位（ Cache 标记精确到主存的块） Cache 块号9 位块内地址9 位块内地址2.直接映射方式每个主存块（页）只能复制到固定的某一块（页）cache 中，其特点是：1） Cache 块内字节数内存块内字节数2） cache 总块数内存某区内的块数3） 内存区数内存总块数/cache 总块数4） cache 标记精确到主存的区（组），若主存分128 区，则 cache 标记 7 位。直接映射方式的优点是硬件简单，成本低。缺点是每个主存块只有一个固定的cache行位置可存放 ,容易产生冲突。因此适合大容量cache 采用。不够灵活， 即使Cache 存储器

33、别的许多地址空着也不能占用。这使得cache 存储空间得不到充分利用，并降低了命中率。图中：主存分64 区，每区 8块，每块 512 字节Cache 分 8 块，每块512 字节主存：6 位3 位9 位Cache：主存区号（标记）主存区内块号块内地址3 位9 位Cache 标记： 6 位（ Cache 标记精确到主存的区）Cache 块号块内地址3.组相联映射方式它将 cache 分成 u 区（组），每组 v 块，这种方式是前两种方式的折衷方案主存块存放到哪个组是固定的， 至于存到该组哪一块是灵活的，即有如下函数关系：特点：1） 主存的块到 cache 的区之间映射时， 用直接映射， 选中 c

34、ache 的某区后， 到 cache 区内寻找某块存放时，用全相联映射。2） Cache 的区数主存的区内块数3） Cache 标记表示主存地址的二进制位数cache 区号位数 cache 块内地址位数组相联映射方式中的每组行数v 一般取值较小，这种规模的v 路比较器容易设计和实现。而块在组中的排放又有一定的灵活性,冲突减少组相联映像方式的性能与复杂性介于直接映像与全相联映像两种方式之间。Cache 的命中率除了与地址映像的方式有关外，还与cache 的容量有关。cache 容量大 ,则命中率就高，但达到一定容量后，命中率的提高就不明显了。图中：主存分 256 区，每区8 块，每块512 字节

35、Cache 分 8 区，每区2 块，每块512 字节主存：7 位3 位1 位9 位主存区号（标记）主存区内块号标记块内地址Cache：3 位1 位9 位Cache 区号Cache 区块内地址Cache 标记： 8 位（表示主存地址的二进制位数cache区号位数 cache 块内地址位数）内块号例：某 PC 主存容量 1MB 分 2048 页，每页 512B，cache 容量 8kB ，分为 16 页，每页512B，用直接映象时， 主存应被分组，cache 标记位；若用全相联映象， cache标记位；若用组相联映象，cache 分 8 组，每组 2 页，主存应划分为组，每组页，此时 cache

36、标记位。解： 1）直接映象时：内存区数内存总块数/cache 总块数得： 2048/16 128 组cache 标记精确到主存的区（组）得： 271287 位全相联映象时： cache 标记精确到主存的块（页）得： 211 204811 位组相联映象时：因为 cache 分 8 组，即决定了内存每组分8 页，则内存组数 2048/8 256 组，每组8 页，cache 标记表示主存地址的二进制位数cache 区号位数 cache 块内地址位数则 cache 标记 20 3 9 8 位1.5.2.3替换算法替换算法的目标就是使Cache 获得最高的命中率。常用算法有：随机替换算法。就是用随机数发

37、生器产生一个要替换的块号，将该块替换出去。先进先出算法。就是将最先进入Cache 的信息块替换出去。此法简单但并能说最先进入的并不经常用。近期最少使用算法。这种方法是将近期最少使用的Cache 中的信息块替换出去。该算法较先进先出算法要好一些。但此法也不能保证过去不常用将来也不常用。优化替换算法。这种方法必须先执行一次程序,统计Cache的替换情况。有了这样的先验信息，在第二次执行该程序时便可以用最有效的方式来替换，达到最优的目的。1.5.2.4高速缓存的性能分析若 H 为 Cache 的命中率； tc 为 Cache 的存取时间； tm 为主存的访问时间。 则 Cache 存储器的等 效访问

38、时间 ta 为：ta H tc（ 1H ） tm使用Cache下式求得：存储器比不使用Cache存储器CPU的访问存储器的速度提高的倍数r 可用r tm ta1.6 存储器存储器分为虚拟存储器和外存储器。先来了解虚拟存储器。虚拟存储器是由主存、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。在程序员使用该存储系统时， 可以使用的内存空间可以远远大于主存的物理空间。但实际上并不存在那么大的主存，故称其为虚拟存储器。虚拟存储器分为：1.页式虚拟存储器是以页为信息传送单位的虚拟存储器。通常一页为几百字节到几K字节。为实现页式管理，需建立虚页与实页间的关系表，称为页表； 在页表及变换软件的控

39、制下，可将程序的虚拟地址变换 为主存的实地址。页式管理的优点是：页表硬件少，查表速度快；主存零头少。其缺点是：分页无逻辑意义，不利于存储保护。2.段式虚拟存储器是以程序的逻辑结构形成的段，（如某一独立程序模块、子程序等）作为主存分配依据的一种段式虚拟存储器的管理方法。为实现段式管理， 需建立段表； 在段地址变换机构及软件的控制下，可将程序的虚拟地址变换为主存的实地址。优点：段的界限分明；支持程序的模块化设计；易于对程序段的编译、 修改和保护； 便于多道程序的共享。 缺点：因为段的长度不一，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。3.段页式虚拟存储器是页式虚拟存储器和段

40、式虚拟存储器两者相结合的一种管理方式。在这种虚拟存储器中， 程序按逻辑结构分段， 每一段再分成若干大小固定的页。程序的调入调出是按页进行的，而程序又可按段实现保护。因此，这种管理方式兼有前两者的优点, 只是地址变换速度比较慢。外存储器外存储器用来存放暂时不用的程序和数据，并且以文件的形式存储。CPU 不能直接访问外存中的程序和数据， 只有将其以文件为单位调入主存方可访问。外存储器由磁表面存储器 （如磁盘、磁带）及光盘存储器构成。1.7 精简指令集计算机（ RISC ）人们对典型的 CISC 执行程序中指令使用频度进行统计发现，指令系统中只有大约20的指 令被经常使用，其使用频度达80，而且这些指令都是一些加、传送、转移等最简