软考 中级软件设计师 考点知识点笔记总结 day03

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5、输入输出技术

5.1、CPU与外设之间的数据传送方式

1、直接程序控制方式

直接程序控制方式是在完成数据的输入/输出中，整个输入/输出过程是在CPU执行程序的控制下完成的 。

该方式还可以分为两种

（1）无条件传送方式：无条件地与CPU交换数据

（2）程序查询方式：先通过CPU查询外设状态 准备好之后再与CPU交换数据

2、中断方式

中断方式利用中断机制，使I/O系统在与外设交换数据时, **CPU无须等待 也不必查询I/O状态,**既可以抽身出来处理其他任务，因此提高了系统效率。

3、直接存储器存取方式

直接存储器存取方式（DMA）是在存储器与I/O 设备间直接传送数据，即在内存与I/O设备之间传送一个数据块的过程中，不需要CPU的任何干涉，是一种完全由DMA硬件完成 I/O 操作的方式。

4、输入/输出处理机

输入/ 输出处理机 （IOP）是一个专用处理机，用于完成主机的输入/输出操作。IOP根据主机的I/O命令,完成对外设数据的输入/输出。

计算机系统中常用的输入输出控制方式有无条件传送、中断、程序查询 和 DMA方式等。当采用 D_ 方式时，不需要CPU执行程序指令来传送数据。

A　中断　Ｂ程序查询　C　无条件传送　D　DMA

无条件传送（Unconditional Transfer）：在这种方式下，数据传输按照固定的时序进行，通常用于简单的硬件设备之间的数据交换。这种方式仍然需要CPU的参与来控制数据传输的过程。
中断（Interrupt）：当中断发生时，CPU会暂停当前的任务去处理中断服务程序，通过执行特定的指令来响应外部设备的数据传输请求。因此，这种方式也需要CPU执行程序指令。
程序查询（Programmed I/O）：在此模式下，CPU通过执行一系列的指令不断地检查外设的状态，然后根据状态决定是否进行数据传输。这显然需要CPU执行程序指令来进行数据的传送。
DMA（直接存储器访问）：DMA允许外围设备直接与主存储器进行数据交换，而无需CPU的直接干预。在DMA传输过程中，CPU发出启动命令后，就可以去做其他事情，直到DMA传输完成并发出中断信号通知CPU。这种方式极大地减轻了CPU在数据传输过程中的负担，提高了系统效率。
因此，在上述几种输入输出控制方式中，只有DMA方式能够在数据传输期间不占用CPU资源，实现高效的数据传输。正确选项是 D DMA。

采用DMA方式传送数据时，每传送一个数据都需要占用一个 　__B　 。（2021年上半年）

A. 指令周期 B. 总线周期 C. 存储周期 D. 机器周期

指令周期：这是CPU执行一条指令所需要的时间，包括取指、分析和执行三个阶段。在DMA传输过程中，不需要CPU执行指令来完成数据传输，所以与指令周期无关。
总线周期：这是设备通过系统总线进行数据传输所需的时间。在DMA传输中，DMA控制器直接控制数据在外部设备和内存之间的传输，这个过程需要使用系统总线。因此，每传送一个数据都需要占用一个总线周期。
存储周期：这是访问存储器（读或写）所需的时间。虽然DMA涉及存储器访问，但“存储周期”通常指的是存储器本身的操作时间，而不是描述整个数据传输过程中资源的占用情况。
机器周期：这是一个较为宽泛的概念，通常指计算机完成一个基本操作所需的时间，它可以包含多个时钟周期，并且可以用来描述指令周期、存储周期等。但在本题的具体上下文中，它不是最精确的答案。

6、存储系统

6.1、层次结构

CPU 高速缓存 主存 辅存 辅助硬件 辅助硬件/软件

主存-辅存 实现虚拟存储系统 解决主存容量不够的问题 （硬件 + 操作系统）

Cache-主存 解决主存与CPU速度不匹配的问题

硬件自动完成

6.2、分类

1 、按位置分类 可分为内存和外存

内存（主存）：用来存储当前运行所需要的程序和数据 速度快 容量小

外存 （辅存）：用来存储当前不参与运行的数据 容量大但速度慢

2 、按材料分 可分为磁存储器 半导体存储器 和光存储器

磁存储器 用磁性介质做成 磁芯 磁盘 磁带等

半导体存储器 根据所用元件可分为 双极型和MOS类两型 根据是否需要刷新可分为静态和动态两类

光存储器 光学 电学和机械部件等组成，如光盘存储器。

3 、按工作方式 可分为 读/写存储器和只读存储器

读写存储器（RAM）指既能读取数据也能存入数据的存储器

只读存储器（ROM）工作过程中仅能读取的存储器

根据数据的写入方式　可细分为ROM　PROM　　EPROM　和　EEPROM等类型

ROM　固定只读存储器　　厂家生产时就写好数据　　内容只能读出　不能改变　一般存放系统程序BIOS　和　微程序控制

PROM 可编程的只读存储器　　其中内容可以由用户一次性写入　　写入后不能再修改

EPROM 可擦除可编程的只读存储器 其中内存既可以读出 也可以由用户写入 写入后还可以修改，紫外线照射擦除信息

EEPROM 电擦除可编程的只读存储器 与EPROM相似 EEPROM中的内容既可以读出也可以进行改写 电擦除的方法进行数据改写

闪速存储器 简称闪存 特性介于EPROM　和　EEPROM之间　可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

6.3、高速缓存Cache

CPU速度快 内存速度慢 怎么处理？ Cache

高速缓存 是位于 CPU和主存之间的高速存储子系统

采用高速缓存的主要目的 提高存储器的平均访问速度 使存储器的平均访问速度与CPU的速度相匹配

Cache的存在对程序员是透明的 其地址变换和数据块的替换算法均由硬件实现

通常Cache 被集成到CPU内 提高访问速度，其主要特点是容量小、 速度块、 成本高

Cache由两部分组成

1、Cache存储器部分 用来存放主存的部分复制信息

2、控制部分的功能是 判断CPU访问的信息是否在Cache存储器中 若在则为命中 若不在 则没有命中

6.4 、Cache的三种地址映像

因为处理机都是按主存地址访问 而应从Cache存储器中读写信息，就需要地址映像。将主存中的地址映射成Cache存储器中的地址。

地址映像方法有三种

1、直接映像 将主存的块与Cache中块的对应关系是固定的。主存的块只能存放在Cache存储器的相同块号中。因此只要主存地址中的主存区号与Cache中的主存区号相同，则表明访问Cache命中。

优点 地址变换很简单 缺点 灵活性差

2、全相连映像 允许主存的任一块可以调入Cache的任一块空间 在地址变换时 将主存地址高位表示的主存块号与Cache中的主存块号进行比较，若相同则为命中。

方式优点 主存的块调入Cache的位置不受限制 十分灵活。 缺点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，

3、组相联映像：前两种方式的折中 将Cache先分组再分块 组相联映像 就是组间采用直接映像方式 ，而组内的块采用全相联映像方式。

2路组相联映射 2块为一组 分四组

6.5、Cache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的等效访问时间 ta为

ta = Htc + (1 - H)tm

使用Cache比不使用Cache的CPU 访问存储器的速度提高的倍数r可以用 r = tm/ta

以下关于 Cache的叙述中 不正确的是 __A

A Cache的设置扩大了主存的容量

B Cache的内容是主存部分内容的拷贝

C Cache的命中率并不随其容量增大线性地提高

D Cache位于主存与CPU之间

以下关于Cache与主存之间地址映射的叙述中 正确的是 D

A 操作系统负责管理Cache与主存之间的地址映射

B 程序员需要通过编程来处理Cache与主存之间的地址映射

C 应用软件对Cache与主存之间的地址映射进行调度

D 由硬件自动完成Cache与主存之间的地址映射。

主存与Cache的地址映射方式中 __A 方式可以实现主存的任意一块装入Cache中的任意位置 只有装满才需要替换

A全相联 B直接映射 C组相联 D串并联

6.6、主存的扩展

主存储器 存储体 MAR MDR

8*4位存储器 8 * 8 位扩展 16 * 4 字扩展

内存地址 从AC000H 到 C7FFFH 共有_ B K个地址单元 如果该内存地址按字编址 由28片存储器芯片构成 已知构成此内存的芯片每片有

16K个存储单元 则该芯片每个存储单元存储 G_位

A 96 B 112 C 132 D 156 E 4 F 8 G16 H 24

首先，我们需要计算从地址 AC000H 到 C7FFFH 共有多少个地址单元。

计算地址范围内的总地址单元数：

结束地址 C7FFFH 转换为十进制：C7FFFH = 819199 （因为 C=12, 7=7, F=15, F=15, F=15）

开始地址 AC000H 转换为十进制：AC000H = 704512 （因为 A=10, C=12, 0=0, 0=0, 0=0）

总地址单元数 = 结束地址 - 开始地址 + 1

819199−704512+1=114688

将总地址单元数转换为KB： 因为每1K = 1024字节，

114688/1024=112KB

所以，内存地址从 AC000H 到 C7FFFH 共有 112 KB 的地址单元。

接下来，我们分析给定的存储器芯片配置：

已知该内存由28片存储器芯片构成。

每片芯片有16K个存储单元。

计算总共的存储单元数：

28×16K=28×16384=458752 个存储单元

确定每个存储单元的位数： 我们已经知道总的存储容量是112KB（或114688字节），并且这由458752个存储单元提供。因此，每个存储

单元可以存储的数据量为：

114688 字节/458752存储单元=0.25字节/存储单元=2 位/存储单元

如果每个芯片是16K * 8位，则整个系统的位宽应与选项匹配。基于上述计算和选项，最符合逻辑的答案是每个芯片的位宽为 16位（即每个字）。

6.7、虚拟存储器

虚拟存储器由主存 辅存 存储管理单元及操作系统中的存储管理软件组成的存储系统 程序员使用该存储系统时可以使用的内存空间远大于主存的物理空间 但实际上并不存在那么大的主存 故称为虚拟存储器

虚拟存储器使存储系统既具有相当于外存的容量又具有接近于主存的访问速度。

磁盘存储器 存取时间 = 寻道时间 + 等待时间（平均定位时间 + 转动延迟）

寻道时间 磁头移动到磁道所需的时间 等待时间为等待读写的扇区转到磁头下方所用的时间

7、总线系统

片内总线（内部总线）

片内总线式芯片内部的总线 它是CPU芯片内部寄存器与寄存器之间 寄存器与ALU之间的公共连接线

系统总线

系统总线式计算机系统内部各功能部件（CPU 主存 I/O接口）之间相互连接的总线 按系统总线传输信息内容的不同又分为3类 数据总线 地址总线 和控制总线。

通信总线 （外部总线）

用于设备一级的互联 计算机可通过该总线和其他设备进行信息与数据交换

8、磁盘阵列技术 RAID

RAID技术分为不同的等级 从RAID-0到RAID-6

RAID-0
特性：数据条带化（Striping），没有冗余。
优点：提高读写速度。
缺点：没有任何冗余，一块硬盘故障会导致整个阵列的数据丢失。
适用场景：对性能要求高但对数据安全性要求不高的场合。
RAID-1
特性：数据镜像（Mirroring）。
优点：提供数据冗余，任何一块硬盘故障不会导致数据丢失。
缺点：存储效率低，仅能使用总容量的一半。
适用场景：对数据安全性要求较高的场合。
RAID-2
特性：位级条带化，并使用汉明码进行错误纠正。
特点：在实际应用中很少见，因为其实现复杂且成本较高。
适用场景：特定需求的应用场景，通常不推荐用于普通用途。
RAID-3
特性：字节级条带化，使用专用奇偶校验盘。
优点：提高了小文件的读写性能。
缺点：单个奇偶校验盘可能成为瓶颈，尤其是写操作频繁时。
适用场景：适用于需要大量连续读写的环境。
RAID-4
特性：块级条带化，使用专用奇偶校验盘。
优点：改善了RAID-3的读取性能。
缺点：与RAID-3类似，奇偶校验盘仍然是瓶颈。
适用场景：适合于读操作远多于写操作的场景。
RAID-5
特性：块级条带化，分布式奇偶校验。
优点：提供了较好的读写性能和数据冗余，允许一个硬盘故障而不丢失数据。
缺点：重建时间较长，尤其是在大容量硬盘的情况下。
适用场景：广泛应用于需要平衡性能、存储效率和数据安全性的场合。
RAID-6
特性：块级条带化，双重分布式奇偶校验。
优点：相比RAID-5，增加了额外的数据冗余，允许两个硬盘同时故障而不丢失数据。
缺点：写入性能稍差，因为需要计算更多的奇偶校验信息。
适用场景：对于数据安全性和可用性要求极高的场合，特别是当阵列中有较多硬盘时。

9、计算机可靠性

计算机系统的可靠性 它开始运行（t = 0）到某个时刻t这段时间内能正常运行的概率 用R（t）表示

串联部件的可靠度 = 各部件可靠度的乘积

并联部件的可靠度 = 1- 部件失效率的乘积

代入法计算