操作系统-期末考试逢考必过系列-优快云博客

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存储

计算机的存储分类

机器字长

机器字长是指CPU一次能处理数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关。****字长越长，数的表示范围越大，精度也越高。

存储容量

存储器的容量应该包括主存容量和辅存容量。主存容量是指主存中存放二进制代码的总位数。即存储容量 = 存储单元个数 × 存储字长

MAR的位数反映了存储单元的个数，MDR的位数反映了存储字长。

存储器容量以字节(Byte，简写为B)为基本单位，一个字节由8个二进制位（bit)组成。存储容量的表示单位除了字节以外，还有KB、MB、GB、TB(可分别简称为K、M、G、T，例如，128MB可简称为128M)。

其中:1KB=1024B，1MB=1024KB，1GB=1024MB，1TB=1024GB。

计算机存储分类

高速缓冲存储器。简称Cache，位于主存和CPU之间

按存取方式分为RAM、ROM

RAM和ROM的区别：
RAM为随机存储，掉电不会保存数据比如内存
ROM可以在掉电的情况下，依然保存原有的数据比如固态硬盘

运算速度

计算机的运算速度与许多因素有关，如机器的主频、执行什么样的操作、主存本身的速度等都有关。

计算机的芯片扩展

位扩展法:

cpu的数据线与存储芯片的数据位数不一定相等，这时必须对存储芯片进行扩位，使其数据位数与cpu的数据线数相等。用2片8K×1位组成8K×2位

字扩展法:

字扩展是指增加存储器中字的数量，而位数不变，字扩展将芯片的地址线，数据线

字位同时扩展

字位同时扩展指既增加存储字的数量，又增加存储字长。

存储系统

cache

Cache位于存储器层次结构的顶层，通常由SRAM构成。

Cache和主存都被分成若干大小相等的块(Cache块又称为Cache行)，每块由若干字节组成，块的长度称为块长(Cache行长)。所以Cache中的块数要远少于主存中的块数，它仅保存主存中最活跃的若干块的副本。

CPU与Cache之间的数据交换以字为单位，而Cache与主存之间的数据交换则以cahce块为单位。

:::tips
当CPu发出读请求时，

若访存地址在cache中命中，就将此地址转换成cache地址，直接对cahce进行读操作，与主存无关;

若访存地址在cache中未命中，则需访问主存，并把此字所在的块一次性地从主存调入Cache，若此时cache已满，则需根据某种替换算法，用这个块替换cache中原来的某块信息。

当CPU发出写请求时，若Cache命中，有可能会遇到cache与主存中的内容不一致的问题，此时需要根据某种写策略解决这个问题。

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Cache的性能指标

与Cahce有关的性能指标主要有:命中率，缺失率和平均访问时间。

命中率H:

CPU欲访问的信息已在Cache中的比率

设一个程序执行期间，Cache的总命中次数为N,，访问主存的总次Nm。则H=Ne/(Ne+ Nm)

缺失率M:

CPU欲访问的信息不在Cache中的比率

M= 1-H

平均访问时间T_a:

设t_c为命中时的Cache访问时间,t_m为未命中时的访问时间，则T_a=H * t_c+ (1-H)t_m

:::tips
已知:

cache的速度是主存的5倍;cache被访问的命中率为0.95;问:

采用cache后，存储器性能提高了多少倍?

设cache的存取周期为t，主存的存取周期为5t，(一) cache和主存同时被访问

则系统的平均访问时间为ta = 0.95t +0.055t = 1.2t;5t/1.2t = 4.17，也就是使用cache后性能提高了3.17倍。(二)若采用先访问cache再访问主存的方式

不命中时，访问cache耗时为t ﹐发现不命中后再访问主存耗时为5t，总耗时为6tta = 0.95t +0.056t = 1.25t;

5t/1.25t=4提高了 3倍

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指令系统

指令的定义

指令:是指示计算机执行某种操作的命令，是计算机运行的最小功能单位。指令按地址码数目分类

1)零地址指令

指令中只有操作码，而没有操作数或没有操作数地址。不需要操作数，如空操作、停机、关中断等指令。

2)一地址指令

A —— 操作数的存储器地址或寄存器名

指令中只给出一个地址，该地址既是操作数的地址，又是操作结果的存储地址。如加1，减1和移位等单操作数指令均采用这种格式，对这一地址所指定的操作数执行相应的操作后，产生的结果又存回该地址中。

取值–》读A12次访存

3)二地址指令

A1——第一个源操作数的存储器地址或寄存器地址。

A2——第二个源操作数和存放操作结果的存储器地址或寄存器地址。

这是最常见的指令格式，两个地址指出两个源操作数地址，其中一个还是存放结果的目的地址。对两个源操作数进行操作码所规定的操作后，将结果存入目的地址

取值–》读A1–》读A2–》写A14次访存

4)三地址指令

A1——第一个源操作数的存储器地址或寄存器地址

A2——第二个源操作数的存储器地址或寄存器地址A3——操作结果的存储器地址或寄存器地址

其操作是对A1，A2指出的两个源操作数进行操作码(OPCODE)所指定的操作，结果存入A3中。

取值–》读A1–》读A2–》写A3 4次访存

5)四地址指令

执行指令后，将PC的值修改位A4所指地址

取值–》读A1–》读A2–》写A34次访存

指令寻址

找到下一条将要执行指令的地址，称为指令寻址。

指令基本上按执行顺序存放在主存中，执行过程中，指令总是从内存单元被取到指令寄存器IR中。

一般来说，指令寻址只有两种方式:
- 顺序执行时Ⅰ用指令计数器(PC)+1'来得到下一条指令的地址;
- 跳转执行时，通过转移指令的寻址方式，计算出目标地址，送到PC中即可。
目标转移地址的形成方式主要有3种:直接地址，相对寻址，间接寻址。

数据寻址

:::tips
找到当前正在执行指令的数据地址，称为数据寻址。

开始时数据存放在内存中，但在执行过程中，内存的数据可能被装入到CPU寄存器中，或者内存的堆栈区中;

所以数据的寻址要涉及对寄存器，内存单元，堆栈，I/O，立即数的访问。因此还要考虑如何提供相应的寻址方式，以方便找到数组元素

为了区分不同的方式，在指令字中通常设一个字段，用来指明属于何种寻址方式。

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绝大多数情况下，地址码字段通常都不代表操作数的真实地址，而是形式地址，寻址方式就是将形式地址转换成真实地址

立即寻址

通常把’#'符号放在立即数前面，以表示该寻址方式为立即寻址如#20H。

只需取出指令即可立即获得操作数。采用立即寻址特征的指令只需在取指令时访问存储器，而在执行阶段不必再访问存储器缺点:

:::tips
由于A表示的就是立即数，因此A的位数限制了立即数的表示范围，例如A占8位，则立即数的表示范围为‘-128~127’

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立即寻址方式通常用于对某寄存器或内存单元赋值

隐含寻址

隐含寻址指指令中不明显给出操作数地址，其操作数地址隐含在操作码或者某个寄存器中。其中最典型的例子就是一地址格式的加法指令

:::tips
操作码显示ADD，说明有两个操作数进行运算，而地址只给出了一个操作数地址，另一个操作数隐藏在ACC中，这就是隐含寻址。

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间接寻址

直接寻址是直接给出了操作数的有效地址，即直接可以通过该地址找到操作数。间接寻址分为一次间接寻址和多次间接寻址。

:::tips
一次间接寻址在指令执行阶段还需要访问两次存储器（一次取操作数的有效地址，一次取操作数)，而N次间接寻址却需要访问存储器N+1次。

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寄存器寻址

寄存器寻址比较简单，基本和直接寻址类似。在直接寻址的指令字中，地址码字段给出的是主存的地址，而在寄存器寻址的指令字中，地址码字段直接给出了寄存器编号R，则操作数的有效地址EA= R;

:::tips
1)由于操作数在寄存器中，因此指令在执行阶段不需要访存，即减少了执行时间

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寄存器间接寻址

和寄存器寻址的不同之处在于，R的内容不是操作数，而操作数所在主存单元的地址号，即有效地址EA=®。

基址寻址

操作数的有效地址需要通过某个基础地址来形成。需要设置一个基址寄存器（BR)，其操作数的有效地址EA等于指令字中的形式地址A与基址寄存器中的内容相加。

EA =A＋(BR)

变址寻址

变址寻址的有效地址EA等于指令字中的形式地址A与变址寄存器IX的内容相加

EA=A+(X)

相对寻址

:::tips
从图中可以看出，操作数的位置与当前指令的位置有一个相对的距离称为相对位移量，此位移量由指令字的性质地址给出，故A称位位移量。

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I/O设备与主机的联系方式

I/O编址方式

通常将I/O设备码视为地址码,对I/O地址码的编址可采用两种方式：

- 统一编址： 用取数、存数指令。就是将I/O地址看作是存储器地址的一部分.如在64K地址的存储空间中,划出8K地址作为I/O的地址,.凡是在这8K地址范围内的访问,就是对 I/O的访问,所用的指令与访存指令相似。
- 不统一编址： 有专门的I/O 指令，就是指I/O地址和存储器地址是分开的，所有对I/O的访问必须有专用的I/O指令。

显然统一编址占用了存储空间,减少了主存容量,但无需专用的I/O指令。不统一编址由于不占用主存空间,故不影响主存容量,但需设 I/O专用指令.因此,设计机器时,需根据实际情况权衡考虑选取何种编址方式.\