一、计算机性能指标#

1.1 存储器的性能指标#

$\text{存储器的容量}=\text{存储器单元个数}\times\text{存储字长}(8bit/1Byte)$

在存储容量相关题中： $1K=2^{10}$ =1024

1.2 CPU的性能指标#

$CPU\text{时钟周期}CLK$
CPU主频： $f = \frac{1}{CPU\text{时钟周期}}$
执行一条指令所需要的时钟周期数： $CPI = \frac{\text{周期数} N_c}{\text{指令数} I_N} = \sum_{i=1}^{n} \frac{i\text{指令数} I_i}{\text{总指令数} I_n}$
每秒执行的指令总数： $IPS = \frac{\text{主频}f}{\text{平均}CPI}, MIPS = \frac{f}{CPI \times 10^6}$
程序执行时间： $t_{cpu} = \frac{N_c}{f}= \frac{I_N \times CPI}{f}$

二、二进制、八进制、十进制、十六进制转换#

表示符号：

二进制	八进制	十进制	十六进制
B	O	D	H/0x

三、原码、补码、反码、移码表示#

转化关系图

四、浮点表示法，IEEE754标准#

4.1 浮点数的表示#

浮点数表示为： $N = r^e \times M , |M|<1$ 尾数M，指数E，基数r

4.2 IEEE754#

短浮点数和长浮点数表示规格：

类型	数符	阶码(移码)	尾数数值(原)	总位数	偏置值
短浮点数	1	8	23	32	127
长浮点数	1	11	52	64	1023

尾数隐含了最高数位1

短浮点数x的真值表示为：

x = (-1)^S \times (1.M) \times 2^{E-127}, \text{指数}e=E-127

五、存储容量的扩充#

相联cache地址格式：

\begin{align} | \text{标记} | \text{索引} | \text{偏移} | \\ \text{地址总位数}=\text{总块数} \times \text{块大小} \\ Cache\text{组数}=\frac{\text{行数}}{\text{每组行数}} \\ \text{偏移字段位数}=\log_2\text{块大小} \\ \text{索引位数}=\log_2 Cache\text{组数} \\ \text{标记位数}=\text{地址总位数}−\text{偏移位数}−\text{索引位数} \end{align}

六、Cache命中率#

在一个程序执行期间，设 $N_c$ 表示Cache完成存取的总次数，设 $N_m$ 表示内存完成存取的总次数，则：

h(\text{命中率}) = \frac{N_c}{N_c+N_m}

设 $t_c$ 表示命中时Cache的访问时间，设 $t_m$ 表示未命中时内存的访问时间，则：

t_a(cache/\text{内存系统的平均访问时间}) = ht_c + (1-h)t_m

内存系统的目标是让 $t_a$ 接近于 $t_c$ 。设 $t=\frac{t_m}{t_c}$ ,则：

e(\text{访问效率}) = \frac{t_c}{t_c+(1-h)t_m} = \frac{1}{r+(1-r)h}

七、Cache的地址映射#

全相联映射：主存的数据块可复制到 cache 的任意一行
直接映射：主存的数据块可复制到cache的固定某一行
- cache总行号i和主存j，在某m块号上，存在关系： $i=j \mod m$
组相联映射：主存的数据块可复制到cache固定某一组中的任意一行

八、页面替换算法#

常用的替换算法有随机（RAND）算法、先进先出（FIFO）算法、近期最少使用（LRU）算法和最不经常使用（LFU）算法。其中最常考查的是LRU算法。

先进先出算法（FIFO）：选择最早调入的行进行替换。它比较容易实现，但也未依据程序访问的局部性原理，因为最早进入的主存块也可能是目前经常要用的。
近期最少使用算法（LRU)：依据程序访问的局部性原理，选择近期内长久未访问过的Cache行作为替换的行，平均命中率要比FIFO的高，是堆栈类算法。

九、寻址方式#

9.1 指令寻址#

寻找要处理的指令

顺序方式：PC给出下条指令地址
跳跃方式：本条指令给出下条指令地址，PC的内容需相应改变

9.2 数据寻址#

寻找操作数的地址

十、流水线#

10.1时空图#

12条指令输入道五个过程段的指令流水线：

10.1 吞吐率#

单位时间内流水线所完成指令或输出结果的数量

最大吞吐率：设m段的流水线各段时间为 $\blacktriangle t$

t_{pmax}=\frac{1}{\blacktriangle t}

实际吞吐率：连续处理n条指令的吞吐率为：

T_p=\frac{n}{(m+n-1) \cdot \blacktriangle t}

10.2 加速比#

加速比等同于m段的等功能的非流水线与流水线的耗时之比

S_p = \frac{nm \blacktriangle t}{(m+n-1) \blacktriangle t} = \frac{nm}{n+m-1}

十一、总线带宽#

\text{总线数据传输率（总线带宽）}= \frac{\text{数据总线宽度}(B) \times \text{总线时钟频率}(MHz)}{\text{完成一次数据传送所用时钟周期数}}

十二、波特率#

每秒传输的比特位数称为波特率，每个比特占用的时间是波特率的倒数。

\text{波特率} = \text{字符比特位} \times \text{数据传输速率}

十三、磁盘技术指标#

概念#

磁盘读取顺序为：盘片->磁道->扇区

\begin{align} \text{存储容量：一个磁盘所能存储的字节总数} \\ \text{内部数据传输率}=\text{磁盘转速（}n\text{转/s）} \times \text{一道磁盘的容量} \\ \text{平均存取时间}=\text{寻道时间} + \text{等待时间}, \text{等待时间}=\text{磁盘旋转一周时间}/2 \end{align}

例题#

磁盘组有6片磁盘，每片有两个记录面，最上最下两个面不用。存储区域内径为22cm，外径为33cm，道密度为40 道/cm，内层位密度为400位/cm，转速为6000转分。问：
(1)共有多少柱面?
(2)盘组总存储容量是多少?
(3)内部数据传输率是多少?\

\begin{align} (1)\text{柱面（磁道数量）}&= r_{\text{存储半径}} \times \text{道密度} \\ &=(16.5 - 11) \times 40 \\ &= 220\text{道} \\ (2)\text{总存储容量} &= \text{一道磁道容量} \times \text{磁道数量} \times \text{有效记录面} \\ &= 2πr \times \text{内层位密度} \times \text{磁道数量} \times \text{有效记录面} \\ &= 2 \times 3.14 \times 11 \times 400 \times 220 \times 10 \\ &= 7598800B \\ (3)\text{内部数据传输率} &= \text{一道磁道容量} \times \text{转速} \\ &= 2 \times 3.14 \times 11 \times 400 \times \frac{6000}{60}\\ &= 345400B/s \end{align}

十四、显示器刷存带宽#

计算每帧图像的数据量（位）

\text{传输容量（}bit\text{）}=\text{水平像素数}×\text{垂直像素数}×\text{颜色深度（位/像素）}

计算刷存带宽（位/秒）

\text{带宽（}bit/s\text{）}=\text{每帧数据量}×\text{刷新率}

十五、多级中断#

中断处理过程分为5个阶段：中断请求、中断判优、中断响应、中断处理、中断返回。

中断请求: 中断请求触发器（INTR)：记录中断源的触发器，一个中断源对应一个 INTR，置1代表提出中断请求。可分散在各个中断源中，也可集中到CPU 的中断系统内。
中断判优:
- 软件判优：用程序检测优先级大小。
- 硬件判优：根据不同的优先排队电路判优，速度快，成本高
中断响应:
- 中断响应条件: ① CPU 收到中断请求信号 ② CPU 开中断，即中断允许触发器 EINT=1
- 中断响应时间：一条指令执行完毕，CPU发出查询中断信号
中断处理
- 保护现场：保护程序断点以及通用寄存器、状态寄存器。过程需要关中断，防止被其他中断打断。断点可以存入堆栈。
- 中断服务：寻找中断服务程序入口地址（向量地址），并视不同中断源执行不同中断服务程序。
- 恢复现场：退出服务程序前，将原程序中断时的现场恢复到原来寄存器中。
中断返回：执行中断返回指令，堆栈弹出断点地址给PC，CPU转移到原来程序断点继续运行。

例题：
中断服务程序的最后一条指令是（C）
A.转移指令
B.出栈指令
C.中断返回指令
D.开中断指令

中断处理过程可以嵌套进行，优先级高的设备可以中断优先级低的中断服务程序

在什么条件和什么时间，CPU 可以响应I/0 的中断请求？
解：CPU 响应 I/0 中断请求的条件和时间是:
当中断允许状态为 1(EINT=1)，且至少有一个中断请求被查到，则在一条指令执行完时，响应中断

中断向量可提供（C）
A、被选中的设备的地址
B、传送数据的起始地址
C、中断服务程序的入口地址
D、主程序的断点地址

为了便于实现多级中断，保存现场信息最有效的方法是采用堆栈。