软考教材分享：程序员考试考前串讲

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所需内容，如果有，则直接从Cache中读取；若没有，再从内存中读取该数据，然后同时送往CPU和Cache.如果CPU需要访问的内容大多都能在Cache中找到（称为访问命中），则可以大大提高系统性能。

如果以h代表对Cache的访问命中率（\称为失效率，或者称为未命中率），t1表示Cache的周期时间，t2表示内存的周期时间，以读操作为例，使用\主存储器\的系统的平均周期为t3.则：

系统的平均存储周期与命中率有很密切的关系，命中率的提高即使很小也能导致性能上的较大改善。

例如：设某计算机主存的读/写时间为100 ns,有一个指令和数据合一的Cache,已知该Cache 的读/写时间为10 ns,取指令的命中率为98%,取数的命中率为95%.在执行某类程序时，约有1/5指令需要存/取一个操作数。假设指令流水线在任何时候都不阻塞，则设置Cache后，每条指令的平均访存时间约为：

2.映射机制

当CPU发出访存请求后，存储器地址先被送到Cache控制器以确定所需数据是否已在Cache中，若命中则直接对Cache进行访问。这个过程称为Cache的地址映射（映像）。在Cache的地址映射中，主存和Cache将均分成容量相同的块（页）。常见的映射方法有直接映射、相联映射和组相联映射。

直接映射方式以随机存取存储器作为Cache存储器，硬件电路较简单。直接映射是一种多对一的映射关系，但一个主存块只能够复制到Cache的一个特定位置上去。全相联映

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射使用相联存储器组成的Cache存储器。在全相联映射方式中，主存的每一页可以映射到Cache的任一页。组相联映射是直接映射和全相联映射的折中方案。它将Cache中的块再分成组，通过直接映射方式决定组号，通过全相联映射的方式决定Cache中的块号。在组相联映射方式中，主存中一个组内的块数与Cache的分组数相同。 3.淘汰算法

当Cache产生了一次访问未命中之后，相应的数据应同时读入CPU和Cache.但是当Cache已存满数据后，新数据必须淘汰Cache中的某些旧数据。最常用的淘汰算法有随机淘汰法、先进先出法（FIFO）和近期最少使用淘汰法（LRU）。其中平均命中率最高的是LRU算法。 4.写操作

因为需要保证缓存在Cache中的数据与内存中的内容一致，相对读操作而言，Cache的写操作比较复杂，常用的有以下几种方法。

（1）写直达（write through）。当要写Cache时，数据同时写回内存，有时也称为写通。

（2）写回（write back）。CPU修改Cache的某一行后，相应的数据并不立即写入内存单元，而是当该行从cache中被淘汰时，才把数据写回到内存中。

（3）标记法。对Cache中的每一个数据设置一个有效位。当数据进入Cache后，有效位置1;而当CPU要对该数据进行修改时，数据只需写入内存并同时将该有效位清0.当要从Cache中读取数据时需要测试其有效位：若为l则直接从Cache中取数，否则从内存中取数。

2.5.3 磁盘

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本知识点的要点是掌握与磁盘相关的最重要的概念与计算公式。

磁盘是最常见的一种外部存储器，它是由1至多个圆形磁盘组成的，其结构如图2-2所示。

图2-2 磁盘主要术语示意图

磁盘的常见技术指标如下：

（1）计算磁道数：（外半径-内半径）×道密度×记录面数。

说明：硬盘的第一面与最后一面是起保护作用的，一般不用于存储数据，所以在计算的时候要减掉。例如，6个双面的盘片的有效记录面数是6×2-2=10. （2）非格式化容量=位密度 × 3.14 × 最内圈直径 × 总磁道数。

说明：每个磁道的位密度是不相同的，但每个磁道的容量却是相同的。一般来说，0磁道是最外面的磁道，其位密度最小。

（3）格式化容量 = 每道扇区数 × 扇区容量 × 总磁道数。 （4）平均数据传输速率 = 每道扇区数 × 扇区容量 × 盘片转速。 说明：盘片转速是指磁盘每秒钟转多少转。 （5）存取时间 = 寻道时间 + 等待时间

说明：寻道时间是指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。显然，寻道时间与磁盘的转速没有关系，而是取决于磁盘移动臂的速度。

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例如，假设某硬磁盘有5个记录面，记录面上有效记录区域的内径为20cm,外径为30cm.磁道上记录的位密度为250bit/mm,道密度为10道/mm,每一磁道上分为16个扇区，每个扇区记录1KB,磁盘旋转速度为10000转/分。则该硬磁盘的：

非格式化容量=250bit/mm× 3.14 × （20+30）/2 × （30-20）/2×10×10×5 × 47MB.

格式化容量 = 16 × 1KB ×（30-20）/2×10×10×5 × 39MB. 数据传输速率 = 16 × 1KB × 10000/60 × 2.6MB/s. 要注意的是：

（1）这里的250bit/mm是平均位密度，因此应取中间圈。（30-20）/2求出有效半径（cm），再转成mm（×10）后乘上道密度（10道/mm）和记录面数（5）。 （2）1B=8bit,1KB=1024B,1MB=1024KB,1GB=1024MB.

2.6 中断与DMA

本部分的知识主要是I/O系统的三种不同的工作方式，以及各自的优点和缺点。 2.6.1 程序控制工作方式

在程序控制方式（程序查询方式）下，输入/输出完全由CPU控制，在整个I/O过程中CPU必须等待其完成，限制了CPU的高速能力。不过这种方式下，是由程序主动查询外设，完成主机与外设间的数据传送，方法简单，硬件开销小。 在这种方式下，I/O设备有两种编码方式：

（1）存储器映射：即I/O设备和主存储器统一编址，使用相同的机器指令来访问内存和外设，这种方式下，CPU是采用地址的不同来区分访问的是外设还是存储器的。