万字长文通关计算机与操作系统基础知识（面试必备）

寻址方式

总体来说，寻址方式可以分为：立即寻址、直接寻址、间接寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻

• 立即寻址：操作数直接在指令中，速度快，灵活性差。
• 直接寻址：指令中存放的是操作数的地址。
• 间接寻址：指令中存放了一个地址，这个地址对应的内容是操作数的地址。
• 寄存器寻址：寄存器存放操作数。
• 寄存器内存放的是操作数的地址。

CISC与RISC

CISC和RISC分别表示复杂指令集系统和精简指令集系统，具体信息如下表所示。

如何比较CISC和RISC，分哪些维度？

指令数量、指令使用频率、存执方式、寄存器、流水线支持、高级语言支持。

• CISC：复杂、指令数量多，频率差别大、多寻址。
• RISC：精简、指令数量少。操作寄存器，单周期，少寻址，多通用寄存器，流水线，

流水线概念

流水线是指在程序执行时，多条指令重叠进行操作的一种准并行处理的实现技术。各种部件同时处理是针对不同指令而言的，它们同时为多条指令的不同部分进行工作，以提高各部件的利用率和指令的平均执行速度。

流水线的相关参数计算包括：流水线执行时间计算、流水线吞吐率、流水线加速比、流水线效率。

在计算机中，对于指令的操作主要分为三个部分：取指、分析和执行。如下所示。

如果执行取值、分析和执行各需要1ms的话，则串行执行三条指令的时间总共需要9ms。这是因为一条执行的操作需要经过取指、分析和执行三个步骤，每个步骤需要1ms，执行一条指令的时间为3ms，则串行执行三条指令的时间为9ms。我们可以用下图来表示这个过程。

在上图的表示中，貌似执行三条指令使用9ms是没啥问题的。但是，如果我们把图形改造一下，我们就会发现相应的问题。我们使用下面的图形来表示执行三条指令的情况。

此时，我们发现，在上图执行指令操作的过程中，有很多空白的格子，而空白的格子表示在执行执行的过程中有空余的时间片资源没有利用起来。

很显然，没有必要等待指令1完全执行完毕后再执行指令2，同样的，没有必要等待指令2完全执行完毕后再执行指令3。而且，我们发现按照上图执行完三条指令需要9ms时间。

此时，如果将空余的时间片利用起来，则可以使用下图来表示。

此时，在执行三条指令的过程中，取指操作对指令1执行完取指后，马上对指令2进行取指，然后又马上对指令3进行取指；分析操作同样是对指令1执行完分析后，马上对指令2进行分析，然后又马上对指令3进行分析；执行操作也是对指令1执行完毕后，马上对指令2进行执行操作，然后又马上对指令3进行执行操作。期间，将空余的时间片资源充分的利用起来了。

而且，我们发现，充分利用空余的时间片后，执行三条指令的时间由原来的9ms变为现在的5ms。

从另一个角度，我们发现执行完第一条指令时，需要3ms，执行完第二条指令时，只需要在执行完第一条指令的基础上增加1ms。同样的，执行完第三条指令时，只需要在执行完第二条指令的基础上增加1ms。以后每增加一条指令，只需要增加1ms的时间便可以执行完此条指令。

这就是计算机中的流水线技术。接下来，我们就说说流水线技术的相关计算问题。

流水线计算

关于流水线计算，我们先来看一个图。

在上图中，我们可以看出，执行完第一条指令时，需要3ms时间，执行完第二条指令时，只需要在执行完第一条指令的基础上增加1ms；执行完第三条指令时，只需要在执行完第二条指令的基础上增加1ms。

以此类推，执行完第n条指令时，只需要在执行第n-1条指令的基础上增加1ms。说到这里，不知道小伙伴们有没有思考这样一个问题，流水线技术的这种规律就涉及到一个非常重要的概念，叫作 流水线周期。

流水线周期为执行时间最长的一段，上图中的流水线周期为1ms

流水线的计算公式为：

1条指令执行时间 + （指令条数 -1）*  流水线周期

流水线的理论公式如下所示。

(t1 + t2 + ... + tk) + (n-1) * △t

其中t1,t2...tk表示执行一条指令的每个步骤分别需要的时间，n为指令的条数，△t为流水线周期。

流水线的实践公式如下所示。

k*△t + (n-1) * △t

其中，k为执行一条指令的步骤数，n为指令的条数，△t为流水线周期。

这里，给小伙伴们举一个例子。

例如，一条执行的执行过程可以分解为取指，分析和执行三步，在取指时间t取指=3△t，分析时间分析=2△t，执行时间t执行=4△t的情况下，若按照串行方式执行，则10条指令全部执行完需要多少△t？若按照流水线方式执行，流水线周期为多少△t？使用流水线方式时，执行完10条指令需要多少△t？

（1）串行方式比较简单，就是将每条指令的执行时间进行累加。

（3△t + 2△t + 4△t） * 10 = 90△t。

（2）在执行一条指令的过程中，取指为3△t，分析为2△t，执行为4△t。根据流水线中对于流水线周期的定义：流水线周期为执行时间最长的一段，所以，流水线周期为4△t。

（3）使用流水线方式时，执行完10条指令需要的时间可以使用如下方式进行计算。

这里，我们分别计算下理论时间和实践时间。

• 理论时间

(3△t + 2△t + 4△t) + (10-1) * 4△t = 45△t。

• 实践时间

3 * 4△t + (10-1) * 4△t = 48△t。

超标量流水线

关于超标量流水线，我们可以使用下图来表示。

在超标量流水线中，有一个概念叫作度。度表示在超标量流水线中，由几条流水线组成。例如上面的图中，超标量流水线由两条流水线组成，所以，度为2。此时的超标量流水线可以同时进行2个操作。

也就是说，可以同时执行两个取指操作，可以同时执行两个分析操作，也可以同时执行两个执行操作。

如果此时有10条指令需要执行，使用以上超标量流水线的话，只需要10 / 2 = 5 条指令的时间。

流水线吞吐率计算

流水线的吞吐率（TP）是指在单位时间内流水线所完成的任务数量或输出的结果数量。计算流水线吞吐流程的最基本的公式如下所示。

流水线最大吞吐率计算公式如下所示。

流水线的吞吐率计算问题相对来说还是比较简单的。

层次化存储结构

首先，问小伙伴们一个问题：计算机的存储结构为什么需要进行层次化的划分呢？

说的直接一点：就是为了减少经济成本。如果说，CPU的价格非常便宜的话，根本就不需要内存了。可以把所有的内存容量全部都做到CPU里面去，就可以了。

但是，事实上，CPU的内存是很精贵的，至今为止，CPU中基本上还是一级缓存和二级缓存。三级缓存比较少见。而且，CPU中的存储容量是非常小的，基本都是KB级别的存储，CPU的内存容量也就几KB，MB级别的CPU内存也是比较少见的。所以，出于经济成本的考虑，计算机中的存储结构是按照层次进行划分的。

为了能够让小伙伴们更加清晰的理解层次化存储结构，我们先来看一张图。

由上图，可以看出：

（1）层次化的存储结构可以分为：CPU、Cache（高速缓存）、主存（内存）、外存（辅存）。

（2）从上往下，速度越来越慢，容量越来越大。

局部性原理是层次化存储结构的支撑。

局部性原理

一个编写良好的计算机程序常常具有良好的局部性。也就是说。它们倾向于引用临近于其他最近引用过的数据项的数据项，或者最近引用过的数据项本身。这汇总倾向性，就被称为局部性原理，这是一个持久的概念，对硬件和软件系统的设计和性能都有着极大的影响。

之所以有这个规律，很多人认为原因是：程序的指令大部分时间是顺序执行的」，而且程序的集合，如数组等各种数据结构是连续存放的。

局部性原理讲的是：在一段时间内，整个程序的执行仅限于程序的某一部分，相应地，程序访问的存储空间也局限于某个内存区域。主要分为两类：

• 时间局部性：如果程序中的某条指令一旦执行，则不久之后该指令可能再次被执行；如果某数据被访问，则不久之后该数据可能再次被访问。
• 空间局部性：是指一旦程序访问了某个存储单元，则不久之后，其附近的存储单元也将被访问。

Cache

针对Cache相关的技术，我们主要来聊聊Cache的概念和映像相关的技术。

Cache-概念

这里的Cache表示的是高速缓冲，在计算机的存储体系系统中，Cache是除寄存器外访问速度最快的层次。使用Cache改善系统性能的依据是程序的局部性原理 。

如果以h代表对Cache的访问命中率，t1表示Cache的周期时间，t2表示主存储器的周期时间，以读操作为例，使用“Cache+主存储器”的系统的平均周期为t3，则可以得出如下运算公式。

t3 = h * t1 + (1 - h) * t2 

其中。(1 - h)又称为失效率，也就是未命中率。

Cache-映像

Cache的映像分为三种，分别是：直接相联映像、全相联映像、组相联映像。

• 直接相联映像：硬件电路比较简单，但冲突率最高。
• 全相连映像：电路难于设计和实现，只适用于小容量的Cache，冲突率比较低。
• 组相联映像：直接相联与全相联的折中。

地址映像是将主存与Cache的存储空间划分为若干大小相同的页（或称为块）。

例如，一台计算机的主存容量为1GB，划分为2048页，每页512KB；Cache的容量为8MB，划分为16页，每页512KB。接下来，我们由此来详细图解直接相联映像、全相联映像和组相联映像。

直接相联映像

我们可以画一组图来表示Cache的直接映像。首先，我们先来简单画一个主存标记、Cache页号和页内地址的示意图。如下所示。

如上图所示，主存标记为7位，Cache页号为4位，页内地址为19位。

记录主存区号的示意图如下所示。

有了上面两张图的基础后，我们再来看直接相联映像的示意图如下所示。

这里，我们将容量为1GB的主存划分成2048页，总共127个区，每页的容量为512KB。将容量为8MB的Cache划分为16页，每页容量为512KB。

所谓直接相联映像是指Cache中的0页只能存储主存中0页的内容，这里主存中0页指的是每个区的0页，比如上图中的0区的0页，1区的16页，127区的2032页等。

在直接相联映像中，只需要记录主存标记、Cache页号和页内地址就能够快速的找到主存中的数据。

使用直接相联映像有个缺点：那就是如果Cache中的0页，存储了主存中0区0页的内容时，如果此时需要存储主存1区中的16页内容，就只能将主存0区中0页的内容从Cache的0页中清除，然后将主存1区中16页的内容存储到Cache中的0页内。冲突率比较高。细心的小伙伴会发现：这其实是违背局部性原理的。

直接相联映像访问速度最快，但冲突率最高。

全相连映像

我们先来看下全相联映像的主存页标记和页内地址的示意图，如下所示。

此时，使用11位来标识主存页标记，使用19位来标识页内地址。

使用全相连映像需要记录主存与Cache的对应关系，如下图所示。

接下来，我们来看看全相连映像的示意图，如下所示。

从图中可以看出，Cache中的任何一个也，都可以存储主存中的任何一个页。

使用全相连映像访问速度最慢，冲突率最低。

组相联映像

组相联映像本质上是直接相联映像和全相联映像的折中。同样的，我们先来看组相连映像的存储示意图。

此时，在组相连映像中，Cache组号使用3位表示，组内页号使用1位表示，页内地址使用19位表示。其中，3位的Cache组号，1位的组内页号和前面的7位构成了主存页标记；3位的Cache组号，1位的组内页号和19号的页内地址构成了Cache地址。

接下来，我们再来看看主存与Cache的对应关系，如下图所示。

组相连的映像示意图如下所示。

由上图可知，在组相连映像中，主存的组与Cache的组是组相联映像关系，而在组内则是通过直接相联映像来访问和存储数据。

主存编址与计算

这里，小伙伴们首先要区分两个概念，一个是编址，一个是寻址。

编址： 存储器是由一个个存储单元构成的，为了对存储器进行有效的管理，就需要对各个存储单元编上号，即给每个单元赋予一个地址码，这叫编址。经编址后，存储器在逻辑上便形成一个线性地址空间。

寻址：存取数据时，必须先给出地址码，再由硬件电路译码找到数据所在地址，这叫寻址。

编址可以分为两种：按字编址和按字节编址。

• 按字编址：存储体的存储单元是字存储单元，即最小寻址单位是一个字。
• 按字节编址：存储体的存储单元是字节存储单元，即最小寻址单位是一个字节。

对于主存编址中最常见的计算形式为：根据存储器所要求的容量和选定的存储芯片的容量，就可以计算出所需要的芯片的数量。公式如下所示。

总片数 = 总容量 / 每片的容量

这里，给小伙伴们举一个例子：若内存地址区间为4000H ~ 43FFH，每个存储单元可存储16位二进制数，该内存区域使用4片存储器芯片构成，则构成该内存所用的存储器芯片的容量是多少？

解题思路也比较简单，我们一起来看看如何解题：

（1）首先，我们来求解4000H ~ 43FFH地址空间的总容量，使用终止地址-起始地址+1即可得到总容量，也就是43FFH - 4000H + 1 = 43FFH + 1 - 4000H = 4400H - 4000H = 400H。

注意：在计算机中，以H结尾的数字是十六进制，逢16进1，而F在十六进制中表示15，所以，43FFH + 1 = 4400H。

所以，4000H ~ 43FFH地址空间的总容量为400H。

（2）接下来，我们要把400H转换成二进制，对于十六进制数转换成二进制数来说，每一位十六进制数对应着四位的二进制数，我们可以把400H拆分成4、0、0三部分，4转换成二进制数就表示0100，十六进制的0转换成二进制为0000。所以，400H转换成二进制的结果为：0100 0000 0000。

0100 0000 0000也就是2的10次方，即为2^10^。

（3）题目中说的每个存储单元可存储16位二进制数，所有总共可以存储的二进制数就是：2^10^ * 16。

（4）该区域使用4片存储器芯片构成，所以，存储芯片的容量为：2^10^ * 16 / 4 = 2^10^ * 4 = 2^12^，最终的结果单位为bit。

总线

一条总线同一时刻只允许一个设备发送数据，但允许多个设备接收数据。

总线的分类

总线可以分为数据总线、地址总线和控制总线。

• 数据总线（Data Bus）：在CPU和RAM之间来回传送需要处理或是需要存储的数据。
• 地址总线（Address Bus）：用来指定在RAM（Random Access Memory）之中存储的数据的地址。
• 控制总线（Control Bus）：将微处理器控制单元（Control Unit）的信号传送到周边设备，一般常见的为USB Bus和1394 Bus。

串联系统与并联系统

这里，先给小伙伴们简单介绍下什么是串联系统，什么是并联系统。

串联系统

串联系统是组成系统的所有单元中任一单元失效就会导致整个系统失效的系统。把用电器各元件逐个顺次连接起来，接入电路就组成了串联电路。我们常见的装饰用的"满天星"小彩灯，常常就是串联的。

串联电路有以下一些特点:

⑴电路连接特点:串联的整个电路是一个回路，各用电器依次相连，没有"分支点"。

⑵用电器工作特点:各用电器相互影响，电路中一个用电器不工作，其余的用电器就无法工作。

⑶开关控制特点:串联电路中的开关控制整个电路，开关位置变了，对电路的控制作用没有影响。即串联电路中开关的控制作用与其在电路中的位置无关。

注：以上对于串联系统的描述来源于网络。

接下来，我们来看一个关于串联系统的图形表示，这里我们假设串联系统中每个部分的可靠度依次为R1，R2，...Rn，如下所示。

则整个系统的可靠度为：R = R1 * R2 * ... * Rn。

并联系统

并联系统指的是组成系统的所有单元都失效时才失效的系统。把电路中的元件并列地接到电路中的两点间，电路中的电流分为几个分支，分别流经几个元件的连接方式叫并联。

并联电路是使在构成并联的电路元件间电流有一条以上的相互独立通路，为电路组成二种基本的方式之一。例如，一个包含两个电灯泡和一个9 V电池的简单电路。若两个电灯泡分别由两组导线分开地连接到电池，则两灯泡为并联。

即若干二端电路元件共同跨接在一对节点之间的连接方式。这样连成的总体称为并联组合。其特点是：

①组合中的元件具有相同的电压；

②流入组合端点的电流等于流过几个元件的电流之和；

③线性时不变电阻元件并联时，并联组合等效于一个电阻元件，其电导等于各并联电阻的电导之和，称为并联组合的等效电导，其倒数称为等效电阻

注：以上对于并联系统的描述来源于网络。

接下来，我们来看一个关于并联系统的图形表示，这里我们假设并联系统中每个部分的可靠度依次为R1，R2，...Rn，如下所示。

则整个并联系统的可靠度R = 1 - (1 - R1)  *  (1 - R2) * ... * (1-Rn)。

混合型系统

混合型系统就是既有串联系统，又有并联系统的系统，这里，我们也使用一个图形进行表示，如下所示。

所以，上图并联系统的可靠度为：R * (1 - (1 - R) ³)  * (1 - (1 - R) ²)

文章转载自微服务：冰河技术