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章节知识架构图

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一 CPU

现代计算机硬件图

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运算器

① 算术逻辑单元（ALU）：数据的算术运算和逻辑运算
② 累加寄存器（AC）：通用寄存器，为 ③ ALU 提供一个工作区，用来暂存数据
④ 数据缓冲寄存器（DR）：写内存时，暂存指令或数据
⑤ 状态条件寄存器（PSW）：存状态标志与控制标志

控制器

① 程序计数器（PC）：存储下一条要执行指令的地址
② 指令库寄存器（IR）：存储即将执行的指令
③ 指令译码器（ID）：对指令中的操作码字段进行分析解释
④ 地址寄存器（AR）：用来保存当前 CPU 所访问的内存单元的地址
⑤ 时序部件：提供时序控制信号

真题示例 - 2.1：

CPU 执行算术运算或者逻辑运算时，常将源操作数和结果暂存在（）中。

A. 程序计数器（PC） B. 累加器（AC）
C. 指令寄存器（IR） D. 状态寄存器（PSW）

三 主存

存储器的基本单位是存储单元，一般以 8 位二进制为一个存储单元。每个存储单元都有一个地址，一般用十六进制数表示。

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真题示例 - 3.1

内存按字节编址，地址从 A0000H 到 CFFFFH 的内存，共有（）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（）片。

A. 80K B. 96K C. 160K D. 192K
A. 2 B. 3 C. 5 D. 8

四 存储器

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4.1 Cache（高速缓冲存储器）

作用：解决 CPU 和主存之间的速度差异，避免 CPU “空等” 现象。

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Cache 的映像方法

① 直接映像

直接映像方式的优点是地址变换很简单，缺点是不灵活，块冲突率高。

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② 全相联映像

全相联映像位置不受限制，十分灵活。其主要缺点是无法从主存块号中直接获得 Cache 的块号，变换比较复杂，速度比较慢。

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③ 组相联映像 （注：非考点内容）

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4.2 磁盘存储器

常用的外存有磁带存储器、硬盘存储器、磁盘阵列和光盘存储器。

磁盘存取时间：

\$寻道时间 + 等待时间 + 读/写时间\$

其中读/写时间可忽略不计，

\$平均寻道时间 + 平均等待时间\$

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真题示例 - 4.1：

在磁盘调度管理中，应先进行移臂调度，再进行旋转调度。假设磁盘移动臂位于 21 号柱面上，进程的请求序列如下表所示。如果采用最短移臂调度算法，那么系统的响应序列应为（）。

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A. ②⑧③④⑤①⑦⑥⑨ B. ②③⑧④⑥⑨①⑤⑦
C. ①②③④⑤⑥⑦⑧⑨ D. ②⑧③⑤⑦①④⑥⑨

五 校验码

5.1 奇偶校验码

保持 1 的个数为奇数/偶数。只能发现奇数个位出错的情况。

00100011 偶校验：100100011 奇校验：000100011

以偶校验为例： 假设 100100011 有一位出错 → 100100010 假设 100100011 有两位出错 → 100100000

5.2 海明码

海明码是建立在奇偶校验码基础上的。海明码的校验码的位置必须是在 \$2^n\$ 位置（n 从 0 开始，分别代表从右边数起分别是第 1、2、4、8、16 ……），信息码也就是在非 \$2^n\$ 位置。

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设数据位是 n 位，校验位是 k 位，则 n 和 k 必须满足以下关系：

$$ \bf \textcolor{red}{2^k - 1 \geq n + k} $$

真题示例 - 5.1：

海明码是一种纠错码，其方法是为需要校验的数据位增加若干校验位，使得校验位的值决定于某些被校位的数据，当被校数据出错时，可根据校验位的值得变化找到出错位，从而纠正错误。对于 32 位的数据，至少需要加（）个校验位才能构成海明码。

A. 3 B. 4 C. 5 D. 6

六 指令系统

名称指令要求寻址方式实现方式编译
复杂指令系统 CISC指令数量众多，使用频率相差悬殊。可变长指令格式。多种寻址方式与主存直接交互。微程序控制编译复杂
精简指令系统 RISC指令数量少，长度固定寻址方式少硬布线逻辑控制。流水线技术。与寄存器交互优化的编译器

七 流水线

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7.1 流水线周期

流水线周期：执行时间最长的一段

7.2 流水线执行时间公式

$$\bf \textcolor{red}{(t1+t2+ \cdots +tk)+(n-1) \times \Delta t}$$

例题：若流水线把一条指令分为取指、分析和执行三个部分，三部分的时间分别是取指 2ns，分析 2ns，执行 1ns。那么流水线周期是多少？100 条指令全部执行完毕需要的时间是多少？

7.3 流水线的吞吐率和最大吞吐率

吞吐率是指单位时间内流水线处理机流出的结果数。对指令而言，就是单位时间内执行的指令数。

$$TP = \frac{指令条数}{流水线执行时间}$$ $${TP}_{max} = \lim_{n \to \infty} \frac{n}{(k+n-1)\Delta t} = \textcolor{red}{\frac{1}{\Delta t}}$$

真题示例 - 7.1：

执行指令时，将每一节指令部分分解为：取指、分析和执行三步，已知取指令时间 \$t_{取指} =5 \Delta t\$，分析时间 \$t_{分析} = 2 \Delta t\$，执行时间 \$t_{分析}=3 \Delta t\$，如果按照 [执行]k，分析 k+1、取指 k+2 重叠的流水线方式执行指令，从头到尾执行完 500 条指令需（）\$\Delta t\$。

A. 2500 B. 2505 C. 2510 D. 2515

八 系统可靠度分析

8.1 串联系统

假设一个系统由 n 个子系统组成，当且仅当所有的子系统都能正常工作时，系统才能正常工作，这种系统称为串联系统。

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如果系统的各个子系统的可靠度分别用 \$R_1, R_2, \cdots, R_n\$ 表示，则系统的可靠度为：

$$\textcolor{red}{R = R_1 \times R_2 \times \cdots \times R_n}$$

8.2 并联系统

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可靠度：

$$\textcolor{red}{R = 1 - (1 - R_1) \times (1 - R_2) \times \cdots \times (1 - R_n)}$$

真题示例 - 8.1：

某系统由 3 个部件组成，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（）。

A. 3 个部件串联
B. 3 个部件并联
C. 前两个部件并联后与第三个部件串联
D. 第一个部件与后两个部件并联构成的子系统串联

附录：真题答案

真题序号答案
2.1B
3.1D、B
4.1D
5.1D
7.1B
8.1C