1、21Error! No text of specified style in document.第1章 計算機系統知識1.1 計算機硬件知識1.1.1 考試大綱1計算機組成· 計算機部件· 指令系統· 處理器的性能2存儲器· 存儲介質· 主存（類型、容量和性能）· 主存配置（交叉存取、多級主存）· 輔存（容量、性能）· 存儲系統（虛擬存儲器、高速緩存）3輸入輸出結構和設備· 中斷、DMA、通道、SCSI· I/O接口· 輸入輸出設備類型和特征1.1.2 歷年試題考點回顧本部分內容在歷年

2、考試中一般為上午試題的頭幾道題，所占分值在46分。考核的知識點主要包括CPU的組成、CPU中斷、RISC的特點，存儲器（主存配置、磁盤、Cache地址映像方式與命中率計算）、存儲容量，指令流水線、指令尋址方式，并行處理技術、多處理器（特別是SIMD），處理器的性能指標等。考核的題型主要有CPU的組成與功能，含控制器和運算器各自的組成與功能，存儲器的分類與特性，主存的配置（字位擴展確定所需存儲器芯片的個數），Cache的作用，命中率及平均訪問時間的計算與相互關系，直接映像、組相聯映像、全相聯映像方式下主存地址與Cache地址的關系，輔助存儲器的有關性能指標（道密度、位密度、格式化容量、訪問時間、

3、尋道時間、等待時間）；I/O的編址方式（統一編址、獨立編址各自的特點），CPU與外部設備進行數據交換的幾種方式各自的特點（特別是中斷方式的作用、中斷響應過程和中斷服務過程要清楚），DMA方式與中斷方式的比較，常用總線與接口的作用、判斷、識別；指令的尋址方式，指令的執行過程，CISC與RISC的比較及各自的特點，單指令流多數據流SIMD、多指令流多數據流MIMD的特點，流水線性能指標（吞吐率、加速比）的計算；流水線操作周期的確定；采用流水線方式，執行若干條指令所需時間的計算，MIPS的計算等。另外，有時網絡工程師的考試還對計算機科學基礎知識進行考核，在近10次的考核中，先后直接考核過5次，如曾經

4、考過補碼、移碼適合在什么場合使用，如何用原碼、反碼、補碼、移碼表示±0，已知某數的補碼求真值，浮點數的加減運算（對階）、相乘運算（結果規格化），校驗碼（奇偶校驗碼、海明校驗碼、循環冗余校驗碼）和校驗方法（檢錯與糾錯能力的比較）。1.1.3 典型例題【例1-1】 計算機中，控制器的基本功能是 （1） 。程序計數器（或指令地址寄存器）屬于CPU的 （2） 部件。構成運算器需要多個部件， （3） 不是構成運算器的部件。（1）A保持各種控制狀態B進行算術和邏輯運算C存儲各種控制信息D發出指令脈沖，控制機器各個部件協調一致地工作（2）A運算器 B控制器 C存儲器 DI/O接口（3）A加法器 B

5、累加器 C地址寄存器 DALU（算術邏輯部件）【解析】這一類型的題目考查的知識點是CPU的組成與功能。CPU主要由控制器和運算器組成。控制器一般由程序計數器PC、指令寄存器IR、指令譯碼器、狀態/條件寄存器、時序部件、微操作形成部件等組成。控制器負責控制整個計算機系統的運行，讀取指令寄存器、狀態控制寄存器以及從外部來的控制信號（例如中斷信號），發布外控制信號控制CPU與存儲器、I/O設備進行數據交換；發布內控制信號控制寄存器間的數據交換；控制ALU完成指定的運算功能；并且管理其他的CPU內部操作。控制器的主要功能有時序控制和執行控制，控制器的實現方法主要有硬布線邏輯和微程序控制。控制器的基本功

6、能是從內存中取出指令，并指出下一條指令在內存中的位置，將取出的指令送入指令寄存器，啟動指令譯碼器對指令進行分析，最后發出相應的控制信號和定時信息，控制和協調計算機的各個部件有條不紊地工作，完成指令所規定的操作。運算器主要完成算術運算和邏輯運算，實現對數據的加工與處理。不同的計算機，運算器的結構也不同，但最基本的結構都包括算術邏輯運算單元（ALU）、累加器（ACC）、標志寄存器、寄存器組、多路轉換器等部件。算術邏輯運算單元用于完成加、減、乘、除等算術運算和與、或、非等邏輯運算，以及移位、求補等操作。在運算過程中，寄存器用于暫存操作數或數據的地址。標志寄存器也稱為狀態寄存器，它用于存放算術、邏輯運

7、算過程中產生的狀態信息。ACC是運算器中的主要寄存器之一，用于暫存運算結果以及向ALU提供運算對象。解答此類題目的一般思路是對CPU的組成，以及控制器的組成、運算器的組成要非常清楚，特別是會判斷哪些部件屬于控制器，哪些部件屬于運算器。但要注意，此類試題供選擇的答案中經常將控制器的功能、運算器的功能甚至是其他部件的功能羅列在一起，因此要能正確識別與區分。針對這道題目，（1）發出指令脈沖，控制機器各個部件協調一致地工作體現了控制器的基本功能；（2）CPU主要包括控制器和運算器，排除C和D，程序計數器與指令譯碼有關，屬于控制器的一部分；（3）加法器、累加器、ALU均是運算器的部件，地址寄存器主要包括

8、程序計數器、堆棧指示器、變址寄存器、段地址寄存器等，是控制器的一部分。所以答案應該是（1）D，（2）B，（3）C。【例1-2】 在CPU中， 可用于傳送和暫存用戶數據，為ALU執行算術邏輯運算提供工作區。A程序計數器 B累加寄存器C程序狀態寄存器 D地址寄存器【解析】這一類型的題目考查的知識點是CPU的寄存器。寄存器是CPU中的一個重要組成部分，它是CPU內部的臨時存儲單元。寄存器既可以用來存放數據和地址，也可以存放控制信息或CPU工作時的狀態。在CPU中增加寄存器的數量，可以使CPU把執行程序時所需的數據盡可能地放在寄存器中，從而減少訪問內存的次數，提高其運行速度。但寄存器的數目也不能太多，

9、除了增加成本外，由于寄存器地址編碼增加也會增加指令的長度。CPU中的寄存器通常分為存放數據的寄存器、存放地址的寄存器、存放控制信息的寄存器、存放狀態信息的寄存器和其他寄存器類型。常用的寄存器功能如下：（1）累加器累加器是一個數據寄存器，在運算過程中暫時存放被操作數和中間運算結果，是CPU中使用最頻繁的寄存器，但累加器不能用于長時間地保存一個數據。（2）通用寄存器組通用寄存器組是CPU中的一組工作寄存器。運算時用于暫存操作數或地址。在匯編程序中使用通用寄存器可以減少訪問內存的次數，提高運算速度。（3）標志寄存器標志寄存器也稱狀態寄存器，用于記錄運算中產生的標志信息。狀態寄存器中的每一位單獨使用，

10、稱為標志位。標志位的取值反映了ALU當前的工作狀態，可以作為條件轉移指令的轉移條件。典型的標志有：進位標志位（C）、零標志位（Z）、符號標志位（S）、溢出標志位（V）、奇偶標志位（P）等。（4）指令寄存器指令寄存器用于存放正在執行的指令。指令從內存取出后送入指令寄存器。其操作碼部分經指令譯碼器送微操作信號發生器，其地址碼部分指明參加運算的操作數的地址形成方式。在指令執行過程中，指令寄存器中的內容保持不變。（5）地址寄存器這類寄存器包括程序計數器、堆棧指示器、變址寄存器、段地址寄存器等。解答此類題目的一般思路是對CPU中常用的寄存器功能要掌握。但也要注意相近名稱的不同含義，避免混淆，如程序計數器

11、、指令寄存器、指令譯碼器的聯系與區別。另外還要注意，有的寄存器是屬于運算器的，有的寄存器是屬于控制器的。針對這道題目，在所給出的4個備選答案中，只有累加寄存器可用于傳送和暫存用戶數據，為ALU執行算術邏輯運算提供工作區，所以答案應該是B。【例1-3】 某系統總線的一個總線周期包含4個時鐘周期，每個總線周期中可以傳送32位數據。若總線的時鐘頻率為66MHz，則總線帶寬為 。A16.5MB/s B264MB/s C66MB/s D528MB/s【解析】這一類型的題目考查的知識點是總線周期和總線帶寬。總線帶寬又稱總線系統數據傳送率，是指單位時間傳送的二進制位數（或每秒傳送的字節數）。解答此類題目的一

12、般思路是按照總線帶寬的定義求出總線周期，然后帶入計算公式。但要注意題目是按字節計算還是按位計算。針對這道題目，每個總線周期傳送32位數據，即4字節，因此總線帶寬為：所以答案應該是C。【例1-4】 某計算機的時鐘頻率為400MHz，測試該計算機的程序使用4種類型的指 令。每種指令的數量及所需指令時鐘數（CPI）如表1-1所示，則該計算機的指令平均時鐘數為 （1） ；該計算機的運算速度約為 （2） MIPS。表1-1 程序測試所需指令時鐘數指 令 類 型指令數目（條）每條指令需時鐘數11600001230000232400044160008（1）A1.85 B1.93 C2.36 D3.75（2）

13、A106. B169.5 C207.3 D216.2 【解析】這一類型的題目考查的知識點是計算機性能指標CPI、MIPS的計算。MIPS（Million Instructions Per Second）表示每秒百萬條指令數。對于一個給定的程序，MIPS定義為：CPI（Clock cycle Per Instruction）為執行每條指令所需的平均時鐘周期數。解答此類題目的一般思路是先計算出CPI，然后代入MIPS的計算公式。針對這道題目，該計算機的指令平均時鐘周期數：CPI=(160 000×1+30 000×2+24 000×4+16 000×8)/(

14、160 000+30 000+24 000+ 16 000)=1.93計算機系統的運算速度為：所以答案應該是（1）B，（2）C。【例1-5】 中斷響應時間是指 。A從中斷處理開始到中斷處理結束所用的時間B從發出中斷請求到中斷處理結束所用的時間C從發出中斷請求到進入中斷處理所用的時間D從中斷處理結束到再次中斷請求的時間【解析】這一類型的題目考查的知識點是中斷。中斷是計算機所具有的重要特征之一。計算機中設置中斷是為了解決快速工作的CPU與慢速工作的外部設備之間的矛盾，提高CPU的工作效率，可以方便地處理隨機事件，可以實現與多個外部設備的并行工作。在中斷傳送方式中，CPU與外設并行工作，CPU不必花

15、大量時間去查詢外設的工作狀態，因為當外設準備就緒時，會主動向CPU發中斷請求信號。而CPU硬件本身具有這樣的功能：在每條指令執行完后，檢查外設是否有中斷請求，如果有中斷請求，在條件滿足的情況下，CPU響應該請求，轉去執行中斷服務程序。從中斷服務程序返回后，CPU的硬件保證CPU和外設繼續各自執行自己的任務，CPU不用處在等待狀態來等待外設準備好，這就大大提高了CPU的工作效率。中斷方式較好地解決了高速主機與低速外設之間交換信息的矛盾，但數據傳送仍是由CPU通過程序控制的。每傳送一個數據（一般是一個字節），從外設發出中斷請求到CPU執行中斷服務程序，每次都要保護斷點、保護現場，需要多條指令，而每

16、條指令都要有取指和執行時間，仍需較長的時間，這對于高速外設成批數據交換的情況，還是顯得速度太慢了。所以，在高速或成批數據傳送中，通常采用直接存儲器存取（DMA）方式。關于中斷，還應掌握如下內容。（1）中斷的種類 按中斷源的位置分：內部中斷、外部中斷。 按中斷源的類型分：硬件中斷、軟件中斷。 按中斷源的屏蔽特性分：可屏蔽中斷、非屏蔽中斷。（2）中斷的處理過程中央處理器收到中斷請求后，如果是當前允許的中斷，那么要停止正在執行的代碼，并把內部寄存器入棧，這個過程不能被再次打斷，所以在保護現場的開始要先關中斷，保護完后再開中斷。這個過程應該盡量短，以避免錯過了其他中斷。這個過程消耗的時間稱為中斷響應時

17、間。然后開始執行中斷服務程序，中斷服務程序常常比較簡單，通常是設置一些標志位，做一些簡單的數據處理，而讓其他更耗時的處理在非中斷程序中完成。中斷服務程序完成后，需要將剛才保存的現場恢復，把入棧的寄存器出棧，繼續執行被中斷的程序。整個過程消耗的時間稱為中斷服務時間，當然對于這個時間，不同的中斷，不同的應用差別較大，實際編寫時要考慮中斷處理的重要程度。現在大多數中央處理器都支持多級中斷，即在執行中斷服務程序時，還可以響應其他中斷，形成中斷嵌套。歸納如下。 中斷響應過程：關中斷，斷點保護，入口地址置入PC。 中斷服務過程：保護現場，開中斷，執行服務程序，關中斷，恢復現場，返回。（3）多重中斷 中斷排

18、隊。 中斷嵌套。解答此類題目的一般思路是對中斷的各個過程一定要清楚。但有時也需要對中斷的作用與特點熟練掌握，這樣才能做到舉一反三，觸類旁通。針對這道題目，從中斷處理開始到中斷處理結束所用的時間是中斷服務時間；從發出中斷請求到中斷處理結束所用的時間是中斷響應時間與中斷服務時間之和；從發出中斷請求到進入中斷處理所用的時間是中斷響應時間；從中斷處理結束到再次中斷請求的時間是CPU等待中斷的時間。所以答案應該是C。【例1-6】 內存按字節編址，地址從90000H到CFFFFH，若用存儲容量為16K×8bit的芯片構成該內存，至少需要存儲器芯片為 片。A2B4C8D16 【解析】這一類型的題目

19、考查的知識點是存儲容量的計算與存儲器配置。當用一片ROM/RAM芯片不能滿足存儲容量的需要時，可以將若干片ROM/RAM組合到一起，接成一個存儲容量更大的ROM/RAM，稱為存儲器的擴展。在進行具體擴展時，有3種擴展方式：位擴展、字擴展、字位同時擴展。若單片ROM/RAM的字數滿足系統內存總的字數要求，而每個字的字長或位數不夠用時，則采用位擴展方式。位擴展后的存儲器字數沒改變而位數增加，存儲器容量相應增加。若每一片ROM/RAM的數據位數夠，而字數不能滿足系統內存總的字數要求，則采用字擴展方式。字擴展后的存儲器數據位數或字長沒有變，而字數增加，存儲器容量相應增加。當單片ROM/RAM的字數和位

20、數都不夠時，就要采用字位擴展方式。解答此類題目的一般思路是：若給出存儲單元的首地址和末地址，則：存儲單元個數=末地址首地址+1當芯片單元個數與每個單元位數都少于整個存儲器容量的要求時，需要字位同時 擴展。字擴展即所需芯片的組數為：整個內存存儲單元個數/每芯片單元個數位擴展每組所需的芯片數為：整個內存存儲單元每單元位數/芯片每單元位數整個存儲器所需芯片總數（字位擴展）為：芯片組數×每組芯片數針對這道題目，內存存儲單元個數為CFFFFH90000H+1=40000H=218=256K，所需芯片總數為（256K/16K）×（8/8）=16。所以答案應該是D。【例1-7】 某機是由

21、Cache與主存組成的兩級存儲系統，Cache存取周期Tc=50ns，主存存取周期Tm=400ns，訪問Cache的命中率為0.96，則系統等效的存取周期T為 （1） ns。如果將Cache分為指令體和數據體，使等效存取周期減少了10；在所有的訪問操作中有20是訪問指令體，而訪問指令體的命中率仍為0.96，則數據體的訪問命中率應是 （2） 。（1）A64 B50 C225 D200（2）A0.95 B0.96 C0.983 D0.995【解析】這一類型的題目考查的知識點是高速緩存Cache及相關計算。Cache的主要特點有以下幾點。（1）位于CPU和主存之間。（2）容量小：幾千字節到幾兆字節。

22、（3）速度快：高于主存510倍，快速半導體存儲器。（4）其內容是主存內容的副本，對程序員透明。（5）Cache既可存放程序又可存放數據。設M1為Cache，M2為主存，N1為CPU訪問M1的次數，N2為CPU訪問M2的次數，T1為M1的存取時間，T2為M2的存取時間，則命中率：平均存取時間：或：假設Cache存儲器分為指令體（I-Cache）和數據體（D-Cache），如圖1-1所示。圖1-1 存儲體系示意圖設指令Cache和數據Cache的訪問時間均為Tc，主存的訪問時間為Tm，指令Cache的命中率為Hi，數據Cache的命中率為Hd，CPU訪存取指的比例為fi，則存儲體系的等效訪問時間為

23、解答此類題目的一般思路是首先確定是單一Cache，還是分為指令Cache與數據Cache。但還要注意取指操作所占的比例，以便代入不同的計算公式。針對這道題目：（1）對于單一Cache，系統等效存取周期為：（2）如果將Cache分為指令體和數據體，設改進后的D-Cache的命中率為Hd，則：所以答案應該是（1）A，（2）C。【例1-8】 一般來說，Cache的功能 （1） 。某32位計算機的Cache容量為16KB，Cache塊的大小為16B，若主存與Cache的地址映射采用直接映射方式，則主存地址為1234E8F8（十六進制）的單元裝入的Cache地址為 （2） 。在下列Cache替換算法中，

24、平均命中率最高的是 （3） 。（1）A全部由軟件實現B全部由硬件實現C由硬件和軟件相結合實現D有的計算機由硬件實現，有的計算機由軟件實現（2）A00 0100 0100 1101（二進制） B01 0010 0011 0100（二進制）C10 1000 1111 1000（二進制） D11 0100 1110 1000（二進制）（3）A先入后出（FILO）算法 B隨機替換（RAND）算法C先入先出（FIFO）算法 D近期最少使用（LRU）算法【解析】這一類型的題目考查的知識點是Cache的功能、地址映像及相關計算。Cache由存儲體、地址映像和替換機構組成。存儲體是存儲單元的集合，用于存放信息

25、，一般由靜態存儲器構成。為了方便主存地址與Cache地址的轉換，將主存與Cache的存儲空間劃分為若干大小相同的塊（頁）。為了加快Cache與主存之間的傳送，每塊的大小通常為一個主存周期內能訪問的字節數。地址映像的作用是把CPU送來的主存地址轉換成Cache地址。主要有3種地址映像方式：直接映像、全相聯映像和組相聯方式。直接映像是每個主存塊只能映像到某一固定的Cache塊中。直接映像易于實現，但沖突概率高。全相聯映像是指主存的每一塊可以映像到Cache的任意一塊。在全相聯映像方式下，可以提高Cache的利用率，但速度慢且成本太高。組相聯映像是直接映像和全相聯映像的折中方案，它將Cache分成若

26、干組，每組若干塊，組間采用直接映像，而組內的塊為全相聯映像。替換機構：當CPU訪問Cache未命中時，應從主存中讀取信息，同時寫入Cache中。若Cache未滿，則直接寫入；若Cache已滿，則需進行替換。替換機構由硬件組成，并按替換算法進行設計。常用的替換算法有先進先出（FIFO）算法、先進后出（FILO）算法、隨機替換（RAND）算法和近期最少使用（LRU）算法等。這些替換算法各有優缺點。就命中率而言，LRU算法的命中率最高。解答此類題目的一般思路是掌握3種地址映像方式的映像過程，特別是主存地址與Cache的映像關系。但要注意，頁、塊、組、區之間的聯系與區別。針對這道題目，Cache的功能

27、全部由硬件實現；因Cache的容量為16KB，則其地址為14位，每塊大小16B，則塊內地址為4位，Cache塊號10位，將主存地址1234E8F8H寫成二進制得0001 0010 0011 0100 1110 1000 1111 1000B，低14位映像為Cache地址；近期最少使用（LRU）算法是Cache替換算法中平均命中率較高的算法。所以答案應該是（1）B，（2）C，（3）D。【例1-9】 高速緩存Cache與主存間采用全相聯地址映像方式，高速緩存的容量為 4MB，分為4塊，每塊1MB，主存容量為256MB。若主存讀寫時間為30ns，高速緩存的讀寫時間為3ns，平均讀寫時間為3.27ns

28、，則該高速緩存的命中率為 （1） %。若地址變換表如表1-2所示，則主存地址為8888888H時，高速緩存地址為 （2） H。 表1-2 地址變換表038H188H259H367H（1）A90 B95 C97 D99（2）A488888 B388888 C288888 D188888【解析】這一類型的題目考查的知識點是Cache命中率與映像地址的計算。一般來說，主存容量遠大于Cache的容量。因此，當要把一個塊從主存調入Cache時，就有如何放置的問題，即地址的映像與變換問題。對于全相聯映像是指主存中的任一塊可以被放置到Cache中的任意一個位置的方法。將主存和Cache劃分為容量大小相等的塊

29、。設主存地址nm由主存塊號nmb和塊內地址nmr組成，Cache地址nc由Cache塊號ncb和塊內地址ncr組成，在此nmr=ncr。當給出主存地址nm需要訪問主存時，讓主存塊號nmb與地址變換表（目錄表）中所有各項的nmb字段同時進行相聯比較。如果有相同的，則將對應行的Cache塊號ncb取出，拼接上塊內地址ncr形成Cache地址nc，然后訪問Cache；如果沒有相同的，表示該主存塊還未裝入Cache，則出現Cache塊失效，由硬件自動完成調塊。解答此類題目的一般思路是記住Cache命中率和平均讀寫時間的計算公式，對題目所給參數的含義要清楚，以便能正確代入計算公式。還要對常用的幾種地址映

30、像方式中地址變換有清晰的理解，以便能正確計算出主存地址經映像變換后對應的Cache地址。針對這道題目，T=3.27ns，T1=3ns，T2=30ns，代入，得H=0.99。本題采用全相聯映像，主存容量為256MB，地址占28位；Cache容量為4MB，地址占22位；每塊容量為1MB，地址占20位。對于主存地址nm=8888888H，則主存塊號（占8位）nmb=88H，通過地址變換表可得Cache塊號（占2位）ncb=1H，塊內地址nmr= ncr =88888H，拼接后的Cache地址為188888H。所以答案應該是（1）D，（2）D。【例1-10】 相聯存儲器的訪問方式是 。A先入先出訪問

31、B按地址訪問 C按內容訪問 D先入后出訪問【解析】這一類型的題目考查的知識點是存儲器的存取訪問方式。常用的存儲器中數據存取方式有順序存取、直接存取、隨機存取和相聯存取等4種。相聯存取也是一種隨機存取的形式，但是選擇某一單元進行讀寫取決于其內容，而不是其地址。與普通的隨機存取方式一樣，每個單元都有自己的讀寫裝置，讀寫時間也是一個常數。采用相聯存取方式，可以對所有的存儲單元的特定位進行比較，選擇符合條件的單元進行訪問。為了提高地址映射的速度，Cache采用相聯存取的方式。相聯存儲器（Content Addressable Memory，CAM）是一種特殊的存儲器，是一種基于數據內容進行訪問的存儲設

32、備。當對其寫入數據時，CAM能夠自動選擇一個未用的空單元進行存儲；當要讀出數據時，不是給出其存儲單元的地址，而是直接給出該數據或者該數據的一部分。CAM對所有的存儲單元中的數據同時進行比較并標記符合條件的所有數據以供讀取。由于比較是同時、并行進行的，所以這種基于數據內容進行讀寫的機制，其速度比基于地址進行讀寫的方式要快許多。解答此類題目的一般思路是對相聯存取的特點要了解。特別是要能區別存取方式是按地址訪問還是按數據訪問。另外注意，磁帶存儲器采用順序存取方式；磁盤存儲器采用直接存取方式，主存儲器采用隨機存取方式；Cache采用相聯存取方式。針對這道題目，相聯存儲器的訪問方式是按內容訪問，所以答案

33、應該是C。【例1-11】 虛擬存儲器的作用是允許 （1） 。它通常使用 （2） 作為它的一個主要組成部分。對它的調度方法與 （3） 基本相似，即把要經常訪問的數據駐留在高速存儲器中。因為使用了虛擬存儲器，指令執行時 （4） 。在虛擬存儲系統中常使用相聯存儲器進行管理，它是 （5） 尋址的。（1）A直接使用外存代替內存 B添加比地址字長允許的更多內存容量C程序直接訪問比內存更大的地址空間 D提高內存的訪問速度（2）ACDROM B硬盤 C軟盤 D寄存器（3）ACache BDMA CI/O D中斷（4）A所需的數據一定能在內存中找到 B必須先進行“虛、實”地址轉換C必須事先使用覆蓋技術 D必須將

34、常用的程序先調入內存（5）A按地址 B按內容 C寄存器 D計算【解析】這一類型的題目考查的知識點是虛擬存儲器的基本概念和工作原理。虛擬存儲器是由內存、外存、存儲管理單元及操作系統中存儲管理軟件組織的存儲系統。虛擬存儲器的作用是給程序員一個更大的“虛擬”的存儲空間，其容量可遠遠超過主存儲器的容量，而與輔助存儲器容量相當，即允許程序直接訪問比內存更大的地址空間。它通常使用硬盤作為它的一個主要組成部分。虛擬存儲器的管理原則與Cache基本相似，即存儲系統由小容量的高速存儲器和大容量的低速存儲器組成，把要經常訪問的數據駐留在高速存儲器中，一旦這些數據訪問頻率下降則把它們送回低速存儲器中，設計有效的管理

35、算法。虛擬存儲器將大容量的外存也納入存儲器的管理范圍，但在具體執行程序時需判斷程序是否在內存中，若不在（可認為未命中），則需從輔存中調入，這種思路與Cache中的替換類似。因為使用了虛擬存儲器，指令執行時必須先進行“虛、實”地址變換，這就是虛擬存儲器地址映射機制的基本功能。在虛擬存儲系統中常使用相聯存儲器進行管理。相聯存儲器是一種特殊的存儲器，與常見的RAM不同，它是一種基于數據內容進行訪問的存儲設備CAM，即按內容尋址。所謂虛擬存儲技術，即在內存中保留一部分程序或數據，在外存（硬盤）中放置整個地址空間的副本。程序運行過程中可以隨機訪問內存中的數據或程序，但需要的程序或數據不在內存時，就將內存

36、中部分內容根據情況寫回外存，然后從外存調入所需程序或數據，實現作業內部的局部對調，從而允許程序的地址空間大于實際分配的存儲區域。虛擬存儲器的調度方法與Cache基本相似。當指令執行時，如果操作對象不在內存，就向操作系統發出缺頁中斷。這時操作系統按照某種替換算法挑選某一物理頁，根據情況決定是否將其寫回外存，然后從外存中調入相應頁面進行覆蓋，并修改頁表。而內存中存儲的數據和程序是以物理地址來表示的，這樣，在執行一條指令時，必須先進行從邏輯地址到物理地址的交換（這個過程稱為地址映射）。解答此類題目的一般思路是掌握虛擬存儲器的工作原理。同時注意與Cache的相同之處和不同之處。針對這道題目，根據上述論

37、述，所以答案應該是（1）C，（2）B，（3）A，（4）B， （5）B。【例1-12】 假設某硬盤由5個盤片構成（共有8個記錄面），盤片有效記錄區域的外直徑為30cm，內直徑為10cm，記錄位密度為250位/mm，磁道密度為16道/mm，每磁道分16個扇區，每扇區512字節，則該硬盤格式化容量約為 MB。A BC D【解析】這一類型的題目考查的知識點是對磁盤有關存儲容量的考核。磁盤存儲器屬于輔助存儲器，分為硬盤和軟盤兩種。其主要性能參數有存儲容量、存取時間、尋道時間、等待時間和數據傳輸率等。磁道：磁盤旋轉一圈磁頭在盤面上留下一個圓形軌跡稱為一個磁道。道密度：沿磁盤半徑方向單位長度內磁道數，常用的

38、道密度單位是道/mm或道/英寸（t/i）。位密度：沿磁道方向，單位長度內存儲的二進制信息位數，常用的位密度單位是b/mm或位/英寸（b/i）。每個磁道上的記錄的位數是相同的，不同磁道上的位密度不一樣，越靠近盤心的磁道位密度越高。存取時間：又稱訪問時間，是指磁盤磁頭接到讀寫信號，從當前位置移動到指定位置，并完成讀寫數據所需的時間。存取時間包括尋道時間和尋找扇區的等待時間。尋道時間（Seek Time）：磁頭移動到目標磁道（或柱面）所需的時間。等待時間（Rotational Latency）：待讀寫的扇區旋轉到磁頭下方所用時間。一般用磁道旋轉一周所用時間的一半作為平均等待時間。尋找不同磁道和等待不

39、同區域花的時間不同，通常取其平均值稱為平均存取時間。可見，提高磁盤轉速可縮短這個時間。存儲容量：磁盤能存儲二進制位信息的總量，磁盤的容量有非格式化容量和格式化容量之分。非格式化容量存放數據的盤面數×每面磁道數×磁道周長×（對應的）位密度格式化容量=存放數據的盤面數×每面磁道數×每道扇區數×每個扇區存儲的數據字節數一般情況下，磁盤容量指格式化容量。數據傳輸速率R：磁頭找到地址后單位時間內寫入或讀出的字節數。R=B/T其中，B：一個磁道上記錄的數據字節數；T：磁盤旋轉一周所需時間。或R每個扇區的字節數×每道扇區數×磁盤

40、轉速一個硬盤是由許多的盤片（120）構成，這些盤片繞一個軸旋轉，轉速是7200r/min等。讀寫信息時，一個包含讀寫頭的移動臂移動到每個盤片的上端。為了保證每個磁頭臂同時移動到每個盤片的同一磁道，每個磁表面上的磁頭臂都是連接在一起，同時移動的。柱面是指所有盤片表面磁頭臂下相同位置的所有磁道。解答此類題目的一般思路是有關磁盤參數的含義要理解，同時對有關參數的計算公式要熟練運用。但有時題目給出硬盤另外一些參數，如磁頭數、柱面數，實際上就相當于分別告訴了盤面數和磁道數。針對這道題目，磁盤有效存儲區域=(3010)/2（cm），因為道密度為=16道/mm，所以每個記錄面的磁道數=(3010)×

41、;10×16/2（道），根據題目所給條件，每磁道分16個扇區，每扇區512字節，共有8個記錄面，所以該硬盤格式化容量= 8×(3010)×10×16/2× 16×512（B）=8×(3010)×10×16×16×512/2×1024×1024（MB）。所以答案應該 是B。【例1-13】 I/O系統主要用3種方式與主機交換數據，對于這3種方式的描述正確的是 。A程序控制方式最節省CPU時間B中斷方式最消耗CPU時間CDMA方式在傳輸過程中需要CPU的查詢D中斷方式無需

42、CPU主動查詢和等待外設【解析】這一類型的題目考查的知識點是CPU與外設的3種數據交換方式。（1）程序控制方式CPU直接通過I/O指令對I/O接口進行訪問操作，主機與外設之間交換信息的每個步驟均在程序中表示出來，整個的I/O過程是由CPU執行程序來完成的。具體實現時可分為兩種方式：立即程序傳送方式（又稱同步傳送方式或無條件傳送方式）和程序查詢方式（又稱異步傳送方式）。在立即程序傳送方式下，I/O接口總是準備好接收來自主機的數據，或隨時準備向主機輸入數據，CPU無需查看接口的狀態，就執行輸入輸出指令進行數據傳送。外設總是處于“準備好”狀態，沒有速度協調問題。這種方式的優點是程序設計較簡單，所需硬

43、件及軟件較少。缺點是只能用于狀態固定或變化十分緩慢的設備，如開關、LED等。在程序查詢方式下，CPU通過執行程序查詢外設的狀態，判斷外設是否準備好接收數據或準備好了向CPU輸入數據。首先，CPU從傳送狀態的端口中讀取狀態字。然后，CPU檢測狀態字的對應位是否滿足“就緒”條件，如果不滿足，返回前面繼續讀狀態字。如果狀態字表明外設已處于“就緒”狀態，則傳送數據。主要優點是能較好地協調外部設備與CPU之間的速度差異，這類外設占外設的大多數，另外所需要的硬件接口電路也較簡單。缺點是CPU需要不斷地循環檢查外設狀態，占用了CPU大量時間，影響了CPU的使用效率，并且系統中I/O設備越多，查詢的周期就越長

44、，對于工作速度快的外設則可能因為服務不及時而丟失數據。（2）中斷方式當I/O接口準備好接收數據或準備好向CPU傳送數據時，就發出中斷信號通知CPU。對中斷信號進行確認后，CPU保存正在執行的程序的現場，轉而執行提前設置好的I/O中斷服務程序，完成一次數據傳送的處理。這樣，CPU就不需要主動查詢外設的狀態，在等待數據期間可以執行其他程序，從而提高了CPU的利用率。采用中斷方式管理I/O設備，CPU和外設可以并行地工作。與程序查詢傳送方式相比，程序查詢傳送方式在主程序中與外設交換數據，而中斷傳送方式是在中斷服務程序中與外設交換數據。（3）DMA方式直接存儲器存取（Direct Memory Acc

45、ess，DMA）方式是一種完全由硬件完成高速數據設備與內存之間交換數據的方式。外設直接經總線和存儲器進行高速數據傳送，不再經過CPU中轉，也不用CPU控制，而由另外的硬件電路DMA控制器進行控制。DMA方式的主要優點是速度高，數據傳送的速度只受存儲器存取速度的限制，因為CPU不參加操作，省去了CPU對每個數據的傳送都要經過的取指令、指令譯碼、取數和送數等操作，從而節省了CPU訪問存儲器或外設所花費的時間。DMA方式的缺點是硬件接口比較復雜，DMA控制器結構復雜，價格也較貴。解答此類題目的一般思路是對CPU與外設進行數據交換的3種常用方式的傳送過程、各自的優缺點要有清晰的理解。特別要注意在程序查

46、詢方式、中斷方式和DMA方式中，數據傳送過程是如何啟動的。在程序查詢方式下，是通過程序來檢測接口中狀態寄存器中的“準備好”（READY）位，以確定當前是否可以進行數據傳送的；在中斷方式下，當接口中已經有數據要往CPU輸入或準備好接收數據時，接口會向CPU發一個外部中斷請求，CPU在得到中斷請求以后，如果響應中斷，便通過運行中斷服務程序來實現輸入輸出；在DMA方式下，外設要求傳送數據時，接口會向DMA控制器發DMA請求信號，DMA控制器轉而往CPU發送一個總線請求信號，以請求得到總線控制權，如果得到DMA允許，那么，就可以在沒有CPU參與的情況下實現DMA傳送。針對這道題目，只有“中斷方式無需C

47、PU主動查詢和等待外設”對于3種方式的描述是正確的，所以答案應該是D。【例1-14】 在采用DMA方式的I/O系統中，其基本思想是在 之間建立直接的數據通路。ACPU與外部設備 B主存與外圍設備C外設與外設 DCPU與主存【解析】這一類型的題目考查的知識點是CPU與外設數據交換方式中的DMA方式。直接存儲器存取方式的基本思想是：通過硬件控制實現主存與I/O設備間的直接數據傳送，數據的傳送過程由DMA控制器（DMAC）進行控制，不需要CPU的干預。在DMA方式下，需要CPU啟動傳送過程，即向設備發出“傳送數據”的命令；在傳送過程結束時，DMAC通過中斷方式通知CPU進行一些后續處理工作。在傳送數

48、據的過程中，CPU可以執行其他任務。DMA方式簡化了CPU對數據傳送的控制，提高了主機與外設并行工作的程度，可在外設和主存之間快速、批量傳送數據，使系統的效率明顯提高。但DMA方式也有局限性，由于DMA控制器只能控制簡單的數據傳送操作，對外設的管理和某些控制操作仍由CPU承擔，因而在外設數量較多、輸入輸出頻繁的大中型計算機中還要設置通道，使CPU擺脫管理和控制外設的沉重負擔。解答此類題目的一般思路是對CPU與外設數據進行交換的幾種方式的特點要了解，并注意其區別。DMA的特征包括：一個DMA過程由CPU啟動，完成時要報告CPU；DMA一旦啟動，再不需要CPU干預，不會產生CPU中斷；DMA采用竊

49、取總線擴展權的方法占用總線，提高了總線的利用率；DMA一般用于高速外設與內存之間的批量數據傳送，而且使用DMA模式的時候不能使用虛擬內存，只能使用物理內存。針對這道題目，DMA方式的I/O系統中，其基本思想是在主存與外圍設備之間建立直接的數據通路，所以答案應該是B。【例1-15】 若某個計算機系統中，內存地址與I/O地址統一編址，訪問內存單元和I/O設備是靠 來區分的。A數據總線上輸出的數據 B不同的地址代碼C內存與I/O設備使用不同的地址總線 D不同的指令【解析】這一類型的題目考查的知識點是I/O端口的編址方式。I/O端口編址方式有兩種：端口地址和存儲器地址統一編址，即存儲器映射方式；I/O

50、端口地址和存儲器地址分開獨立編址，即I/O映射方式。統一編址就是從存儲器空間劃出一部分地址空間給I/O設備，把I/O接口中的端口當作存儲器單元一樣進行訪問，不設置專門的I/O指令。采用這種編址的好處在于I/O端口可占有較大的空間，端口的操作指令多，對存儲器使用的指令也可以用于端口，其缺點是程序不易區分是對存儲器操作還是對I/O操作，同時需要全部地址參與譯碼，影響速度。獨立編址就是接口中的端口地址單獨編址而不和存儲空間合在一起，通過設置單獨的I/O地址空間，為接口中的有關寄存器或存儲部件分配地址碼，需要設置專門的I/O指令（IN、OUT等）進行訪問。該種編址方式的優點是較容易區分是對存儲器操作，

51、還是對端口進行操作，而且，外部設備不占用存儲器的地址空間，但缺點是其操作不靈活。解答此類題目的一般思路是理解I/O端口的編址方式。針對這道題目，由于采用統一編址方式（存儲器映射方式），因此訪問內存單元和I/O設備是靠不同的地址代碼來區分的，所以答案應該是B。【例1-16】 操作數所處的位置，可以決定指令的尋址方式。操作數包含在指令中，尋址方式為 （1） ；操作數在寄存器中，尋址方式為 （2） ；操作數的地址在寄存器中，尋址方式為 （3） 。（1）A立即尋址 B直接尋址 C寄存器尋址 D寄存器間接尋址（2）A立即尋址 B相對尋址 C寄存器尋址 D寄存器間接尋址（3）A相對尋址 B直接尋址 C寄存

52、器尋址 D寄存器間接尋址【解析】這一類型的題目考查的知識點是指令的尋址方式。獲得操作數存儲地址的方法叫做尋址方式，常用的有以下幾種。（1）立即尋址：指令中地址碼部分提供的不是地址而是參加運算的操作數，例如ADD AX, 100。（2）直接尋址：指令地址碼部分給出了操作數的地址，例如ADD AX, 100。（3）寄存器尋址：指令的地址碼給出的是存放操作數的寄存器，例如ADD AX, BX。（4）寄存器間接尋址：指令的地址碼給出的是存放操作數的存儲單元的地址信息，即所謂指令地址碼部分給出了操作數的地址的地址。這種尋址方式又可以分為寄存器間接尋址方式和存儲器間接尋址方式。前者使用寄存器來保存操作數地

53、址，例如ADD AX, DX；而后者則把操作數地址保存到另一存儲器單元中，例如ADD AX, 100。（5）基址尋址：指令中給出操作數地址的偏移量，其基地址存放在一個專用的基址寄存器中。操作數的地址由基地址加上偏移量即可求出。例如ADD AX, BX+100。（6）變址尋址：指令中給出操作數地址的固定部分和存放可變部分地址的變址寄存器。操作數的實際地址由固定部分加上可變部分即可求出，例如ADD AX, DI+100。當使用基址加變址尋址方式時，還需要加上基址寄存器中的基地址，例如ADD AX, BX+DI+100。（7）相對尋址：指令地址碼部分給出的是一個偏移量（可正可負），操作數地址等于本指令的地址（程序計數器PC內的值）加上偏移量，例如ADD AX, *100。解答此類題目的一般思路是對常用的尋址方式要清楚，但也要注意其中幾種尋址方式之間的區別，特別是寄存器尋址與寄存器間接尋址、相對尋