软件设计师学习笔记7-输入输出技术+总线+可靠性+性能指标

目录

1.输入输出技术

1.1数据传输控制方式

1.2中断处理过程

2.总线

3.可靠性

3.1可靠性指标

3.2串联系统与并联系统

3.3混合模型

4.性能指标

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1.输入输出技术

即CPU控制主存与外设交互的过程

1.1数据传输控制方式

(1)程序控制（查询）方式：分为无条件传送和程序查询方式两种。方法简单，硬件开销小，但I/0能力不高，严重影响CPU的利用率。

其中，无条件传送是系统默认所有I/0都是准备好的，直接开始操作；而程序查询是CPU每一次都去询问各个I/O设备是否准备好，只要有一个设备没准备好就要重复查询，所以严重影响CPU利用率

(2)程序中断方式：与程序控制方式相比，中断方式因为CPU无需等待而提高了传输请求的响应速度。(即数据的传输与CPU是一个并行的过程)

简单来讲就是，老师(CPU)上课讲课，让你做笔记，你做笔记的过程不影响老师继续讲课，只需要做完告诉老师即可

(3)DMA方式：DMA方式是为了在主存与外设之间实现高速、批量数据交换而设置的。DMA方式比程序控制方式与中断方式都高效。(DMAC向总线裁决逻辑提出总线请求；CPU执行完当前总线周期即可释放总线控制权。此时DMA响应，通过DMAC通知I/0接口开始DMA传输)

简单来讲，就是DMA相当于助教，CPU只负责初始化，DMA打工就行

(4)效率：I/O处理机 > 通道方式 > DMA方式 > 程序中断方式 > 程序控制（查询）方式

前两者知道有这个东西就行

1.2中断处理过程

(1)CPU无需等待也不必查询I/0状态

(2)当I/0系统准备好以后，发出中断请求信号通知CPU

(3)CPU接到中断请求后，保存正在执行程序的现场(用栈保存现场)，打断的程序当前位置即为断点

(4)(通过中断尚量表)转入I/O中的服务程序的执行，完成I/O系统的数据交换(中断向量表用于保存中断服务程序的入口地址)

(5)返回被打断的程序继续执行(恢复现场)

2.总线

一条总线同一时刻仅允许一个设备发送，但允许多个设备接收。(分时双工,性能不是很高)

总线的分类：

数据总线(DataBus)：在CPU与RAM之间来回传送需要处理或是需要储存的数据。

地址总线(AddressBus)：用来指定在RAM(RandomAccessMemory)之中储存的数据的地址。

控制总线(ControlBus)：将微处理器控制单元(ControlUnit)的信号，传送到周边设备。

3.可靠性

3.1可靠性指标

平均无故障时间：MTTF = 1 / λ, λ为失效率

平均故障修复时间：MTTR = 1 / μ, μ为修复率

平均故障间隔时间：MTBF = MTTR + MTTF

系统可用性 = MTTF / MTBF * 100%

在实际应用中，一般MTTR很小，所以通常认为MTBF ≈ MTTF

可靠性可以用MTTF / (1 + MTTF)来度量

3.2串联系统与并联系统

跟物理上的电路差不多,其中方块为系统中的某一个部件

(1)串行系统

该图片来自希赛软考

R = R1 * R2 * …… * Rn,其中R为可靠性

(2)并行系统

通过部件的冗余来提高容错性和可靠性

该图片来自希赛软考

R = 1 - (1 - R1) * (1 - R2) * …… * (1 - Rn),其中R为可靠性

3.3混合模型

该图片来自希赛软考

4.性能指标

(1)字长和数据通路宽度

字长：表示计算机一次能够读取的数据长度

数据通路宽度：指一次性数据线路能够通过的数据量

两者一般以bit为单位

(2)主存容量和存取速度

主存容量：eg:在16 G + 512 G的电脑里，主存就是16 G

存取速度：从主存读数据到读完回来，完成该操作的时间

(3)运算速度

运算速度是指计算机系统处理数据和执行指令的速度。主要由主频和浮点运算速度决定。

(5)吞吐量与吞吐率

吞吐量：某一个时间间隔内所完成的任务量

吞吐率：单位时间内完成的任务量

(6)响应时间(RT)(Response Time)与完成时间(TAT)

响应时间：从提交请求到完成请求的时间

(7)兼容性

一般为向下兼容

(8)主频与CPU时钟周期

主频：eg: 2.4 GHz表示一秒内能够有2.4 G次脉冲

CPU时钟周期 = 1 / 主频

(9)CPI(clock per instruction)与IPC(instruction per clock)

CPI:平均每条指令的平均时钟周期个数

IPC:每(时钟)周期运行指令条数

(10)MIPS(Million Instruction Per Second)与MFLOPS(Million Floating-point Operations per Second)

MIPS:百万条指令每秒

MIPS = 指令条数 / (执行时间 * 10 ^ 6) = 主频 / CPI = 主频 * IPC

MFLOPS:每秒百万个浮点操作

MFLOPS = 浮点操作次数 / (执行时间 * 10 ^ 6)

注：此处的指令条数和浮点操作次数都是以百万为单位，所有需要除以10 ^ 6

声明：笔记内容参考自希赛软考

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