2024年软件设计师教程重难点精讲.doc

软件设计师教程重难点精讲（一）
      下六个月软考软件设计师报名即将开始，下面是希赛软考学院整顿的软件设计师教程重点难点精讲，希望对大家有所协助。      
      死锁(Deadlock)是指多个进程在运行的过程中因争夺资源而导致的一个僵局。当进程处在这种僵持状态时，若无外力作用，它们都将无法再向前推进。在软件设计师的考试当中，这个知识点的考查是以选择题的形式出现的，考点重要有：死锁的必要条件、处理死锁的措施，最难高难度会考到“银行家算法”。本文将简介死锁的有关知识，但不会详细讲解“银行家算法”，该算法将在本系列的下一篇文章中详细阐明。
      1、死锁发生的必要条件

      死锁的发生必须具备四个必要条件，这四个条件相互联系、缺一不可。

      (1)互斥条件：指进程对所分派到的资源进行排他性使用，即在一段时间内某资源只由一个进程占用。假如此时尚有其他进程祈求该资源，则祈求者只能等候，直至占有该资源的进程用完并释放。
      (2)祈求和保持条件：指进程已经保持了最少一个资源，但又提出了新的资源祈求，而该资源又已被其他进程占有，此时祈求进程阻塞，但又对自己已取得的其他资源保持不放。
      (3)不剥夺条件：指进程已取得的资源，在未使用完之前，不能被剥夺，只能在使用完时由自己释放。
      (4)环路等候条件：指在发生死锁时，必然存在一个进程--资源的环形链，即进程集合{P0，P1，P2…Pn}中的P0正在等候一个P1占用的资源，P1正在等候P2占用的资源，……Pn正在等候已被P0占用的资源。
      2、判断系统是否也许进入死锁状态
      从上面的死锁处理方案来看，无论哪一个方式都不可防止的要增加系统的负担。而同时一个系统是否有可进入死锁状态受系统资源数量，需要使用该资源的进程数量等原因影响。若系统本不也许引起死锁，而我们采取了死锁处理方案，是很不合理的。因此，考试中常考到这么的题型：给出系统的资源数，以及需要使用该资源的进程数量等参数，让考生判断系统有无也许产生死锁。下面我们以例题的方式来阐明怎样处理此类问题。
      例题1：
      系统有3个进程：A、B、C。这3个进程都需要5个系统资源。假如系统有多少个资源，则不也许发生死锁。
      解答：在分析这个问题时，我们能够取某些简单的数据代入试题进行验证、分析，以得到对应的规律。
      如：(1)当系统资源数量为9时，若给A与B分别分派了4个资源，C分派了1个资源，则系统中的每个进程都存在资源不足的情况，而都不放手自己拥有的资源。不能正常运行完成，发生死锁。
      (2)当系统资源数量为12时，若给A、B、C各分派4个资源，则死锁。
      (3)当系统资源数量为13时，无论怎样分派，总有最少1个进程能得到5个资源，得到5个资源的进程能够正常运行完成，而后将自己占用的资源分派给其他进程，因此这么能使所有进程运行完成。
      从上面的尝试，我们能够总结出一个规律：先给所有进程分派他们所需要的资源数减1个资源，然后系统假如能再剩余1个资源，则系统不会发生死锁。这么解答本题变得非常轻易。
      (5-1)*3+1=13。
      例题2：
      一台计算机有10台磁带机被m个进程竞争，每个进程最多需要三台磁带机，那么m至多为时，系统没有死锁的危险。
      A.3 B.4 C.5 D.6
      解答：首先从m=6开始考查，首先每个进程分派1台，剩余的4台只能分派给4个进程，尚有2个进程没有分派，假如已经分派了2台的4个进程需要3台的话，则系统就会死锁。同样，假如m=5，也会发生这种情况。当m=4时，每个进程能够分得2台，尚有2个进程可分得3台，则可正常运行，运行完成后可释放资源，从而不会死锁。在解这道题时有些学员提出“假如按照答案m=4，则这4个进程都是需要3台磁带机的话，共需要12台磁带机，这么还不会死锁?”。这种想法是错误的，因为并不是同时把所有进程都分派给足够的资源才能完成这些进程，能够是一个进程先执行完，释放完资源再执行另一个进程。
      例如：4个进程中，每个进程分派2台磁带机，用去了8台。剩余2台，仍然能够满足两个进程，直到他们完成，释放他们暂用的磁带机。

      流水线  
      流水线这个知识点在软件设计师考试中是个重点也是个难点，考查的频率比较高。之因此说流水线是个难点，有两方面的原因：首先是需要了解流水线的理论，了解其工作原理，计算方式;另首先是在软考当中，对于流水线的有关计算，标准并不是完全统一的，这一点在背面我们将详细简介。
      流水线是指在程序执行时多条指令重叠进行操作的一个准并行处理实现技术。各种部件同时处理是针对不一样指令而言的，它们可同时为多条指令的不一样部分进行工作，以提升各部件的利用率和指令的平均执行速度。
      指令流水线是将指令执行提成几个子过程，每一个子过程对应一个工位，我们称为流水级或流水节拍，这个工位在计算机里就是能够重叠工作的功效部件，称为流水部件。
      如图1所示，IF，ID，EX，WD分别是流水线的流水部件。

      流水线要求所有的流水级部件必须在相同的时间内完成各自的子过程。在流水线中，指令流动一步便是一个机器周期，机器周期的长度必须由最慢的流水级部件处理子过程所需的时间来决定。
      那么我们为何要提出流水线这个概念，以及流水线是怎样提升系统吞吐量的呢?下面我们来看几个图，概念自然就清楚了。
      图2是一个非流水线结构系统执行指令时空图。

      我们从图2中能够看到，任意一个系统时间都有大量的设备处在空闲状态，如第一个时间段有ID，EX，WB空闲，则第二个时间段有IF，EX，WB空闲。
      我们再来看采取了流水线结构的时空图3。

      显然，采取流水线能够大大提升系统资源的利用率，以及整个系统的吞吐量。
      流水线的操作周期取决于基本操作中最慢的那个。例如：一个3段流水线，各段的执行时间分别为t，2t，t。则最慢的一段为2t，因此流水线操作周期为2t。
      流水线的执行时间公式为：
      第1条指令的执行时间+(指令条数-1)*流水线操作周期
      例题1
      若每一条指令都能够分解为取指、分析和执行三步。己知取指时间t取指=4△t，分析时间t分析=3△t，执行时间t执行=5△t。假如按串行方式执行完100条指令需要(1)△t。假如按照流水方式执行，执行完100条指令需要(2)△t。
      供选择的答案
      (1)A.1190 B.1195 C.1200 D.1205
      (2)A.504 B.507 C.508 D.510
      试题分析
      本题考查的是计算机系统指令流水线方面的基础知识。依照题意能够看到，在此流水线中按串行方式执行完100条指令要用1200△t。采取流水方式执行，执行的总时间的核心取决于最长的执行时间，因此执行完100条的时间为：4Δt+3Δt+5Δt+(100-1)*5Δt=507Δt。
      试题答案 C B
      例题2
      现采取4级流水线结构分别完成一条指令的取指、指令译码和取数、运算，以及送回运算成果4个基本操作，每步操作时间依次为60 ns，100 ns，50 ns和70 ns。该流水线的操作周期应为A ns。若有一小段程序需要用20条基本指令完成(这些指令完全适合于流水线上执行)，则得到第一条指令成果需B ns，完成该段程序需C ns。
      在流水线结构的计算机中，频繁执行D指令时会严重影响机器的效率。当有中断祈求发生时，采取不精准断点法，则将E。
      供选择的答案
      A：①50②70③100④280
      B：①100②200③280④400
      C：①1400②③2300④2600
      D：①条件转移②无条件转移③算术运算④访问存储器
      E：①仅影响中断反应时间，不影响程序的正确执行
      ②不但影响中断反应时间，还影响程序的正确执行
      ③不影响中断反应时间，但影响程序的正确执行
      ④不影响中断反应时间，也不影响程序的正确执行
      试题分析
      本题重要考查对流水线技术的掌握。
      对于CPU来说，流水线技术实际上是一个以增加硬件换取性能的方式：把一条指令分解成多条更小的指令，由不一样的处理单元来处理，在理想的满负荷运行状态下，执行一条指令的时间虽然没有减少，不过因为多个处理单元同时工作，在同一时间上能够执行不一样指令的不一样部分，从而使得总体的执行时间大大减少。流水线的操作周期取决于基本操作中最慢的那个。这里最慢的是100 ns，因此操作周期是100 ns。在流水线中，其实每一条指令的执行时间并没有减少，而第一条指令的执行并没有体现流水线的优势，它在4个操作周期后才能执行完成，这以后每个操作周期都能完成一条指令的执行。
      影响流水线效率的重要原因有条件转移指令和中断，因为它们打断了流水线，使得流水线不得不重新装载。
      不精准断点法实现简单，不过要等到流水线内的指令完成之后再响应中断。
      试题答案  A.③B.④C.③D.①E.②
      上面的两个例题，都是软考当中出现过的真题。我们能够看出，两个题在计算流水线时间方面，标准并不是统一的。
      在例题1中：
      4Δt+3Δt+5Δt+(100-1)*5Δt=507Δt。
      而在例题2中：
      100ns+100ns+100ns+100ns+(20-1)*100ns=2300ns
      这两种计算措施，都是在套用公式：“第1条指令的执行时间+(指令条数-1)*流水线操作周期”，而对于“第1条指令的执行时间”的了解并不相同。在例题1中，第1条指令的执行时间是将指令执行时的几个阶段所需时间相加得到，而在例题2中，以为每一个阶段所需时间都是流水线的周期时间。其中前者是流水线的理论计算措施，而后者是我们在设计硬件流水线时，常用的方式。两种计算措施，从理论上来讲，都是正确的，但考试时，只有一个是正确答案。那么我们应当怎么做呢?因为每次考试中，无论认可的是哪种计算方式，都只会把这种计算方式的正确答案放入选项中，而不会将两个正确答案都放入，因此我们在用一个方式不能得到正确选项时，应采取另一个方式进行计算，来得到正确答案。
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