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饲幸尉迟
5 years ago
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1 第 1 章计算机系统概述考纲内容 CPU CPI CPU MIPS MFLOPS GFLOPS TFLOPS 复习指导本章是组成原理的概述, 易对有关概念或性能指标出选择题, 也可能综合后续章节的内容出有关性能分析的综合题掌握本章的基本概念, 是学好后续章节的基础部分知识点在初学时理解不甚深刻也无需担忧, 相信随着后续章节的学习一定会有更为深入的理解这一章中读者要重点掌握各个性能指标的计算, 这部分在历年真题中出现的频率很高在学习本章时, 请读者思考以下问题 : (1) 计算机由哪几部分组成? 以哪部分为中心? (2) 主频高的 CPU 一定比主频低的 CPU 快吗? 为什么? (3) 翻译程序汇编程序编译程序解释程序有什么差别? 各自的特性是什么? (4) 不同级别的语言编写的程序有什么区别? 哪种语言编写的程序能被硬件直接执行? 请读者在学习本章的过程中寻找答案, 本章末尾会给出参考答案 1.1 计算机发展历程计算机硬件的发展 1. 计算机的四代变化 1946 ENIAC Electronic Numerical Integrator And Computer

2 FORTRAN 计算机元件的更新换代 CPU KB 4KB 16KB 64KB 256KB 1MB 4MB 16MB 64MB 256MB 1GB Intel Intel 4004 Intel Intel Intel Intel Intel Intel Intel Pentium 32 Pentium pro 64 Pentium 64 Pentium 64 Pentium 计算机软件的发展 FORTRAN PASCAL C++ Java Windows UNIX Linux 计算机的分类与发展方向 6 1 SISD 2 SIMD 3 MISD 002

3 第1 章计算机系统概述4 MIMD 本节习题精选一单项选择题 1. 电子计算机的发展已经经历了 4 代, 这 4 代计算机的主要元件分别是 ( ) A. 电子管晶体管中小规模集成电路激光器件 B. 晶体管中小规模集成电路激光器件光介质 C. 电子管晶体管中小规模集成电路大规模集成电路 D. 电子管数码管中小规模集成电路激光器件 2. 微型计算机的发展以 ( ) 技术为标志 A. 操作系统 B. 微处理器 C. 磁盘 D. 软件 3. 可以在计算机中直接执行的语言和用助记符编写的语言分别是 ( ) Ⅰ. 机器语言 Ⅱ. 汇编语言 Ⅲ. 高级语言 Ⅳ. 操作系统原语 V. 正则语言 A.Ⅱ Ⅲ B.Ⅱ Ⅳ C.Ⅰ Ⅱ D.Ⅰ V 4. 只有当程序执行时才将源程序翻译成机器语言, 并且一次只能翻译一行语句, 边翻译边执行的是 ( ) 程序, 把汇编语言源程序转变为机器语言程序的过程是 ( ) Ⅰ. 编译 Ⅱ. 目标 Ⅲ. 汇编 Ⅳ. 解释 A.Ⅰ Ⅱ B.Ⅳ Ⅱ C.Ⅳ Ⅰ D.Ⅳ Ⅲ 5. 到目前为止, 计算机中所有的信息仍以二进制方式表示的理由是 ( ) A. 节约元件 B. 运算速度快 C. 由物理器件的性能决定 D. 信息处理方便答案与解析一单项选择题 1 C 2 B 3 C 4 D 5 C

4 1.2 计算机系统层次结构计算机系统的组成硬件系统软件系统软硬件在逻辑上是等效的计算机硬件的基本组成 1. 早期的冯诺依曼机 EDVAC / 1-1 注意 : 存储程序的概念是指将指令以代码的形式事先输入到计算机主存储器中, 然后按其在存储器中的首地址执行程序的第一条指令, 以后就按照该程序的规定顺序执行其他指令, 直至程序执行结束现代计算机的组织结构 1-1 I/O CPU 004

5 第1 章计算机系统概述 I/O CPU I/O 计算机的功能部件 1 2 I/O 3 CPU CPU 存储单元存储元件 0 1 存储字存储字长 8bit 存储单元的地址 1-3 地址寄存器 (MAR) 数据寄存器 (MDR) 005

6 1-3 MAR 用于寻址, 其位数 MAR = K MAR PC MDR 的位数 MAR MDR CPU CPU Cache CPU 4 ALU Arithmetic and Logical Unit ACC MQ X IX BR 3 PSW 5 PC IR CU PC +1 MAR IR MDR OP(IR) CU Ad(IR) MAR 1-4 CPU CPU I/O I/O

7 1.2.3 计算机软件的分类 1. 系统软件和应用软件系统软件 OS DBMS 应用软件注意 : 数据库管理系统 (DBMS) 和数据库系统 (DBS) 是有区别的,DBMS 是位于用户和操作系统之间的一层数据管理软件, 是系统软件, 而 DBS 是指计算机系统中引入数据库后的系统, 一般由数据库数据库管理系统数据库管理员 (DBA) 和应用系统构成 2. 三个级别的语言 C C++ Java 计算机的工作过程 ACC PC MAR M MDR IR OP(IR) CU Ad(IR) MAR M MDR ACC (PC)+1 PC 注意 :(PC) 指程序计数器 PC 中存放的内容 PC MAR 应理解为 (PC) MAR, 即程序计数器中的值经数据通路送到 MAR, 也即表示数据通路时括号可省略 ( 因为只是表示数据流经的途径, 而不强调数据本身的流动 ) 但是运算时括号不能省略, 即 (PC)+1 PC 不能写为 PC+1 PC 当题目中 (PC) MAR 的括号没有省略时, 考生最好也不要省略第1 章计算机概述系统007

8 1.2.5 计算机系统的多级层次结构现代计算机是一个硬件与软件组成的综合体由于面对的应用范围越来越广所以必须有复杂的系统软件和硬件的支持由于软件硬件的设计者和使用者都从不同的角度以及各种不同的语言对待同一个计算机系统因此他们各自看到的计算机系统的属性及对计算机系统提出的要求也就不一样计算机系统的多级层次结构就是针对上述情况根据从各种角度所看到的机器之间的有机联系分清彼此之间的界面明确各自的功能以便构成合理高效的计算机系统关于计算机系统层次结构的分层方式目前尚无统一的标准这里采用如图 1-5 所示的层次结构第 1 级是微程序机器层这是一个实在的硬件层它由机器硬件直接执行微指令第 2 级是传统机器语言层它也是一个实际的机器层由微程序解释机器指令系统第 3 级是操作系统层它由操作系统程序实现操作系统程序是由机器指令和广义指令组成的这些广义指令是为了扩展机器功能而设置的它是由图 1-5 计算机系统的多级层次结构操作系统定义和解释的软件指令所以这一层也称为混合层第 4 级是汇编语言层它为用户提供一种符号化的语言借此可编写汇编语言源程序这一层由汇编程序支持和执行第 5 级是高级语言层它是面向用户的为方便用户编写应用程序而设置的该层由各种高级语言编译程序支持和执行在高级语言层之上还可以有应用层由解决实际问题和应用问题的处理程序组成如文字处理软件数据库软件多媒体处理软件和办公自动化软件等通常把没有配备软件的纯硬件系统称为裸机第 3 层第 5 层称为虚拟机简单来说就是软件实现的机器虚拟机只对该层的观察者存在这里的分层和计算机网络的分层类似对于某层的观察者来说只能通过该层次的语言来了解和使用计算机至于下层是如何工作就不必关心了层次之间的关系紧密下层是上层的基础上层是下层的扩展随着超大规模集成电路技术的不断发展部分软件功能将由硬件来实现因而软硬件交界面的划分也不是绝对的本门课程主要讨论传统机器 M1 和微程序机器 M0 的组成原理及设计思想本节习题精选一单项选择题 1 完整的计算机系统应包括 A 运算器存储器控制器 C 主机和应用程序 2 冯诺依曼机的基本工作方式是 A 控制流驱动方式 008 B 外部设备和主机 D 配套的硬件设备和软件系统 B 多指令多数据流方式

9 第1 章计算机系统概述C. 微程序控制方式 D. 数据流驱动方式 3. 下列 ( ) 是冯诺依曼机工作方式的基本特点 A. 多指令流单数据流 B. 按地址访问并顺序执行指令 C. 堆栈操作 D. 存储器按内容选择地址年计算机联考真题冯诺依曼计算机中指令和数据均以二进制形式存放在存储器中,CPU 区分它们的依据是 ( ) A. 指令操作码的译码结果 B. 指令和数据的寻址方式 C. 指令周期的不同阶段 D. 指令和数据所在的存储单元 5. 以下说法错误的是 ( ) A. 硬盘是外部设备 B. 软件的功能与硬件的功能在逻辑上是等效的 C. 硬件实现的功能一般比软件实现具有更高的执行速度 D. 软件的功能不能用硬件取代 6. 存放欲执行指令的寄存器是 ( ) A.MAR B.PC C.MDR D.IR 7. 在 CPU 中, 跟踪下一条要执行的指令的地址的寄存器是 ( ) A.PC B.MAR C.MDR D.IR 8.CPU 不包括 ( ) A. 地址寄存器 B. 指令寄存器 (IR) C. 地址译码器 D. 通用寄存器 9.MAR 和 MDR 的位数分别为 ( ) A. 地址码长度存储字长 B. 存储字长存储字长 C. 地址码长度地址码长度 D. 存储字长地址码长度 10. 在运算器中, 不包含 ( ) A. 状态寄存器 B. 数据总线 C.ALU D. 地址寄存器 11. 下列关于 CPU 存取速度的比较中, 正确的是 ( ) A.Cache> 内存 > 寄存器 B.Cache> 寄存器 > 内存 C. 寄存器 >Cache> 内存 D. 寄存器 > 内存 >Cache 12. 一个 8 位的计算机系统以 16 位来表示地址, 则该计算机系统有 ( ) 个地址空间 A.256 B C D ( ) 是程序运行时的存储位置, 包括所需的数据 A. 数据通路 B. 主存 C. 硬盘 D. 操作系统 14. 下列 ( ) 属于应用软件 A. 操作系统 B. 编译程序 C. 连接程序 D. 文本处理 15. 关于编译程序和解释程序, 下面说法错误的是 ( ) A. 编译程序和解释程序的作用都是将高级语言程序转换成机器语言程序 B. 编译程序编译时间较长, 运行速度较快 C. 解释程序方法较简单, 运行速度也较快 D. 解释程序将源程序翻译成机器语言, 并且翻译一条以后, 立即执行这条语句 009

10 年计算机联考真题将高级语言源程序转换为机器级目标代码文件的程序是 ( ) A. 汇编程序 B. 链接程序 C. 编译程序 D. 解释程序 17. 下列叙述中正确的是 ( ) A. 寄存器的设置对汇编语言是透明的 B. 实际应用程序的测试结果能够全面代表计算机的性能 C. 系列机的基本特性是指令系统向后兼容 D. 软件和硬件在逻辑功能上是等价的 18. 在 CPU 的组成中, 不包括 ( ) A. 运算器 B. 存储器 C. 控制器 D. 寄存器 19. 下列 ( ) 不属于系统软件 A. 数据库系统 B. 操作系统 C. 编译程序 D. 以上 3 种都属于系统程序 20. 关于相联存储器, 下列说法正确的是 ( ) A. 只可以按地址寻址 B. 只可以按内容寻址 C. 既可以按地址寻址又可以按内容寻址 D. 以上说法均不完善 21. 计算机系统的层次结构可以分为 6 层, 其层次之间的依存关系是 ( ) A. 上下层之间相互无关 B. 上层实现对下层的功能扩展, 而下层是实现上层的基础 C. 上层实现对下层的扩展作用, 而下层对上层有限制作用 D. 上层和下层的关系是相互依存不可分割的年计算机联考真题计算机硬件能够直接执行的是 ( ) Ⅰ. 机器语言程序 Ⅱ. 汇编语言程序 Ⅲ. 硬件描述语言程序 A. 仅 Ⅰ B. 仅 Ⅰ Ⅱ C. 仅 Ⅰ Ⅲ D.Ⅰ Ⅱ Ⅲ 二综合应用题什么是存储程序原理? 按此原理, 计算机应具有哪几大功能? 答案与解析一单项选择题 1 D A B C 2 A B 3 B A B C D 4 C 010

11 第1 章计算机系统概述 CPU A CPU 5 D D 6 D IR PC MAR MDR 7 A CPU PC 8 C CPU CPU 9 A MAR MDR 10 D ALU CPU CPU CPU / 11 C CPU Cache SRAM DRAM Cache 12 C = B 14 D D 15 C C C++ JavaScript Python C C c 16 C 011

12 17 C 18 B CPU 19 A 20 C 21 B 22 A 二综合应用题计算机的性能指标计算机的主要性能指标 1. 机器字长 CPU 012

13 第1 章计算机系统概述 Byte 注意 : 机器字长指令字长和存储字长的关系 ( 见本章疑难点 4) 2. 数据通路带宽 CPU 注意 : 各个子系统通过数据总线连接形成的数据传送路径称为数据通路 3. 主存容量 512K 16 MAR MAR MAR = K 1K=1024 MDR 32 64K 运算速度 1 吞吐量 CPU 响应时间 CPU I/O 2 CPU CPU 时钟周期 CPU 主频 (CPU 时钟频率 ) CPU 注意 :CPU 时钟周期 =1/ 主频, 主频通常以 MHz( 兆赫兹 ) 为单位,1Hz 表示每秒 1 次 3 CPI Clock cycle Per Instruction 4 CPU CPU =CPU / =( CPI)/ CPU CPU CPI 5 MIPS MFLOPS GFLOPS TFLOPS MIPS Million Instructions Per Second MIPS= /( 10 6 )= /CPI MFLOPS Mega Floating-point Operations Per Second MFLOPS= /( 10 6 ) GFLOPS Giga Floating-point Operations Per Second 013

14 GFLOPS= /( 10 9 ) TFLOPS Tera Floating-point Operations Per Second TFLOPS= /( ) 几个专业术语的概念 1 系列机 2 兼容 3 软件可移植性 4 固件 ROM 本节习题精选一单项选择题 1. 下列选项中, 能缩短程序执行时间的措施是 ( ) 2010 年计算机联考真题 Ⅰ. 提高 CPU 时钟频率 Ⅱ. 优化数据通路结构 Ⅲ. 对程序进行编译优化 A. 仅 Ⅰ 和 Ⅱ B. 仅 Ⅰ 和 Ⅲ C. 仅 Ⅱ 和 Ⅲ D.Ⅰ Ⅱ Ⅲ 2. 下列选项中, 描述浮点数操作速度指标的是 ( ) 2011 年计算机联考真题 A.MIPS B.CPI C.IPC D.MFLOPS 3. 关于 CPU 主频 CPI MIPS MFLOPS, 说法正确的是 ( ) A.CPU 主频是指 CPU 系统执行指令的频率,CPI 是执行一条指令平均使用的频率 B.CPI 是执行一条指令平均使用 CPU 时钟的个数,MIPS 描述一条 CPU 指令平均使用 CPU 时钟数 C.MIPS 是描述 CPU 执行指令的频率,MFLOPS 是计算机系统的浮点数指令 D.CPU 主频指 CPU 使用的时钟脉冲频率,CPI 是执行一条指令平均使用 CPU 时钟数 4. 存储字长是指 ( ) A. 存放在一个存储单元中的二进制代码组合 B. 存放在一个存储单元中的二进制代码位数 C. 存储单元的个数 D. 机器指令的位数 5. 以下说法错误的是 ( ) A. 计算机的机器字长是指数据运算的基本单位长度 B. 寄存器由触发器构成 C. 计算机中一个字的长度都是 32 位 D. 磁盘可以永久性存放数据和程序 014

15 第1 章计算机系统概述6. 下列关于机器字长指令字长和存储字长的说法中, 正确的是 ( ) Ⅰ. 三者在数值上总是相等的 Ⅱ. 三者在数值上可能不等 Ⅲ. 存储字长是存放在一个存储单元中的二进制代码位数 Ⅳ. 数据字长就是 MDR 的位数 A.Ⅰ Ⅲ B.Ⅰ Ⅳ C.Ⅱ Ⅲ D.Ⅱ Ⅳ 7.32 位微机是指该计算机所用 CPU( ) A. 具有 32 位寄存器 B. 能同时处理 32 位的二进制数 C. 具有 32 个寄存器 D. 能处理 32 个字符 8. 用于科学计算的计算机中, 标志系统性能的最有用的参数是 ( ) A. 主时钟频率 B. 主存容量 C.MFLOPS D.MIPS 9. 若一台计算机的机器字长为 4 字节, 则表明该机器 ( ) A. 能处理的数值最大为 4 位十进制数 B. 能处理的数值最多为 4 位二进制数 C. 在 CPU 中能够作为一个整体处理 32 位的二进制代码 D. 在 CPU 中运算的结果最大为在 CPU 的寄存器中,( ) 对用户是完全透明的 A. 程序计数器 B. 指令寄存器 C. 状态寄存器 D. 通用寄存器 11. 计算机操作的最小单位时间是 ( ) A. 时钟周期 B. 指令周期 C.CPU 周期 D. 中断周期 12.CPU 的 CPI 与下列哪个因素无关?( ) A. 时钟频率 B. 系统结构 C. 指令集 D. 计算机组织 13. 从用户观点看, 评价计算机系统性能的综合参数是 ( ) A. 指令系统 B. 吞吐率 C. 主存容量 D. 主频率 14. 当前设计高性能计算机的重要技术途径是 ( ) A. 提高 CPU 主频 B. 扩大主存容量 C. 采用非冯诺依曼体系结构 D. 采用并行处理技术 15. 下列关于兼容的叙述, 正确的是 ( ) A. 指计算机软件与硬件之间的通用性, 通常在同一系列不同型号的计算机间存在 B. 指计算机软件或硬件的通用性, 即它们在任何计算机间可以通用 C. 指计算机软件或硬件的通用性, 通常在同一系列不同型号的计算机间通用 D. 指软件在不同系列计算机中可以通用, 而硬件不能通用 16. 下列说法正确的是 ( ) Ⅰ. 在微型计算机的广泛应用中, 会计电算化属于科学计算方面的应用 Ⅱ. 决定计算机计算精度的主要技术是计算机的字长 Ⅲ. 计算机运算速度指标的含义是每秒钟能执行多少条操作系统的命令 Ⅳ. 利用大规模集成电路技术把计算机的运算部件和控制部件做在一块集成电路芯片上, 这样的一块芯片叫单片机 A.Ⅰ Ⅲ B.Ⅱ Ⅳ C.Ⅱ D.Ⅰ Ⅲ Ⅳ 015

16 年计算机联考真题某计算机主频为 1.2GHz, 其指令分为 4 类, 它们在基准程序中所占比例及 CPI 如下表所示 CPI A 50% 2 B 20% 3 C 10% 4 D 20% 5 该机的 MIPS 数是 ( ) A.100 B.200 C.400 D 年计算机联考真题假定基准程序 A 在某计算机上的运行时间为 100 秒, 其中 90 秒为 CPU 时间, 其余为 I/O 时间若 CPU 速度提高 50%,I/O 速度不变, 则运行基准程序 A 所耗费的时间是 ( ) A.55 秒 B.60 秒 C.65 秒 D.70 秒年计算机联考真题程序 P 在机器 M 上的执行时间是 20 秒, 编译优化后,P 执行的指令数减少到原来的 70%, 而 CPI 增加到原来的 1.2 倍, 则 P 在 M 上的执行时间是 ( ) A.8.4 秒 B.11.7 秒 C.14 秒 D.16.8 秒年计算机联考真题假定计算机 M1 和 M2 具有相同的指令集体系结构 (ISA), 主频分别为 1.5GHz 和 1.2GHz 在 M1 和 M2 上运行某基准程序 P, 平均 CPI 分别为 2 和 1, 则程序 P 在 M1 和 M2 上运行时间的比值是 ( ) A.0.4 B C.1.6 D.2.5 二综合应用题 1 64K MHz 表 1-1 测试程序包含的混合指令 1-1 CPI MIPS 数及响应所需的时钟周期 I 指令类型 CPI 指令混合比 3 A B CPU 1 60% 2 18% 1 A CPU 8MHz B 4 12% 12MHz A CPU 8 10% 2 A 0.4MIPS 表 1-2 每条指令所占的比例及 CPI 数 A 指令类型指令所占比例 CPI 3 B 43% 1 4 Load/Store Load 21% 2 / Store 12% 2 24% 2 CPI 1-2 CPI 016

17 第1 章计算机系统概述 M 25% Load CPI 2 CPI 3 CPI 答案与解析一单项选择题 1 D CPU CPU 2 D MIPS CPI IPC CPI MFLOPS 3 D CPU 主频指 CPU 的时钟脉冲频率,CPI 是执行一条指令平均使用的 CPU 时钟数 4 B 0 1 存储字存储字长 5 C C MDR MDR 7 B 8 C MFLOPS 9 C 4*8=32 017

18 10 B PC IR MAR MDR CPU 11 A CPU CPU 12 A CPI CPI CPI 10 1GHz CPU 100MHz CPU 13 B CPI 14 D CPU 15 C A D B C 16 C CPU 17 C CPI= =3 1.2GHz 1200MHz MIPS=1200/3= D A 100 CPU I/O CPU A T=90/1.5+10=70 误区 :CPU 速度提高 50%, 则 CPU 时间减少一半, 而误选 A 19 D x CPI 20*f/x f CPU 70% 0.7x CPI *f/x P M ( *CPI)/f=(0.7x*24*f/x)/f=24*0.7=16.8 D 20 C = *CPI/ M1 = *2/1.5 M2 = *1/1.2 (2/1.5):(1/1.2)=1.6 C 二综合应用题 1 64K =64K

19 第1 章计算机系统概述 MAR 16 PC 16 MDR 32 = = IR ACC MQ X 32 PC MAR Ad(IR) MAR MDR IR MDR ACC ACC MDR MDR X 2 CPI 4 CPI 4 CPI=1 60%+2 18%+4 12%+8 10%=2.24 MIPS 40MHz 40M MIPS=40/CPI=40/2.24=17.9 T=CPI T_IC I T_IC CPU CPU f T=CPI T_IC I=CPI (1/f) I= I I CPI T=CPI T_IC. 3 1 A CPU 8MHz A CPU =1/8MHz=0.125 s 2 A =1/0.4MIPS=2.5μs 3 A =2.5μs/0.125μs=20 A B B 20 B CPU 12MHz B CPU =1/12MHz=1/12 s B =20 (1/12)=5/3 s B =1/(5/3) s=0.6mips B =A (12/8)=0.4MIPS (12/8)= 0.6MIPS 4 4 CPI 4 CPI=1 43%+2 21%+2 12%+2 24%=1.57 M Load M+(0.25*0.43M) (0.25*0.43M) (0.25*0.43M)=0.8925M CPI 019

20 指令类型指令所占比例 CPI (0.43M 0.43M 0.25)/0.8925M= (0.43M 0.25)/0.8925M= Load (0.21M 0.43M 0.25)/0.8925M= Store 0.12M/0.8925M= M/0.8925M= CPI'= = 本章小结 1 I/O CPU I/O CPU I/O 2 CPU CPU CPU CPU CPU CPU CPU CPU CPU CPU CPU Cache CPU

21 第1 章计算机系统概述1.5 常见问题和易混淆知识点 1 2 翻译程序编译程序解释程序汇编程序编译程序与汇编程序的区别 C C++ Java 3 021

22 CPU IR MAR MDR 4 机器字长指令字长存储字长 IBM System/

L1 computer system overview

L1 computer system overview Computer Architecture and Organization Department of Computer Science and Technology Nanjing University Fall 2013 Instructor: Shuai Wang Course Goal In depth understanding of modern computer architecture,