计算机组成原理(2)

第2篇

计算机组成原理

“计算机组成原理”是计算机学科专业基础的重要组成部分之一，其涉及的基础知识﹑基本理论﹑基本方法是从事计算机学科研究和研究生学习阶段必须掌握的，在计算机科学与技术学科硕士研究生入学专业联考的150分中占45分。

对“计算机组成原理”部分的考核基本要求是：理解单处理机中各部件的内部工作原理﹑组成结构以及相互连接方式，具有完整的计算机系统的整机概念；理解计算机系统各层次化概念，熟悉硬件与软件之间的界面，掌握指令集体系结构的基本知识和基本实现方法；能够运用计算机组成的基本原理和基本方法，对有关计算机硬件系统中的理论和实际问题进行计算﹑分析，并能对一些基本部件进行简单设计。

第1章 计算机系统概述

1.1 知识要点扫描

1.1.1 计算机发展历程

计算机的发展史包括硬件和软件两方面。硬件的发展主要体现在组成计算机基本电路的电子元器件的性能上，软件的发展始终以如何提高计算机的效率和如何方便用户为目标。

通常，根据组成计算机的电子器件，把电子计算机分为4个发展阶段，习惯上称为四代。

1.1.2 计算机系统层次结构

1． 计算机硬件的基本组成

中央处理器（CPU）=运算器+控制器。 主机=CPU+主存储器。 除去主机以外的硬件装置（如输入设备﹑输出设备﹑辅助存储器等）称为外围设备或外部设备。

计算机的硬件系统由以下五大基本部件组成。

输入设备：把程序和原始数据送到计算机中去的设备。 输出设备：把计算机的处理结果送到计算机的设备。

存储器：用来存放程序和数据的部件，是计算机实现“存储程序控制“的基础。 运算器：对信息进行处理和运算的部件，经常进行的运算是算术运算和逻辑运算。 控制器：控制器是整个计算机的指挥中心，它的主要功能是按照人们预先确定的操作步骤，控制整个计算机的各部件有条不紊地自动工作。

2. 计算机软件的分类

一个完整的计算机系统包含硬件系统和软件系统两大部分。软件系统是在硬件系统的基础上，为有效地使用计算机而配置的。

计算机软件按其功能分，有应用软件和系统软件两大类。应用软件是用户为解决某种应用问题而编制的程序；系统软件用于实现计算机系统的管理﹑调度﹑监视﹑服务等功能。

通常将系统软件分为以下几类。

● 操作系统：有批处理系统﹑分时操作系统﹑实时操作系统等。 ● 语言处理程序：如编译程序﹑汇编程序﹑解释程序等。 ● 标准程序库：如监控程序，用于监视计算机工作。

● 服务性程序：如链接程序﹑编辑程序﹑调试程序﹑诊断程序等。 ● 数据库管理系统：包括数据库和数据库管理软件。 ● 计算机网络软件：为计算机网络配置的系统软件。

3. 计算机的工作过程

人们将事先编好的程序（指令序列）和数据送到计算机的存储器内，然后计算机按此指令序列逐条完成全部指令的功能，直至程序结束。

1.1.3 计算机性能指标

吞吐量：吞吐量是指系统在单位时间内处理请求的数量。 响应时间：响应时间是指系统对请求作出响应的时间。

主频：主频是衡量CPU速度的重要参数。CPU的主频表示在CPU内数字脉冲信号振荡的速度，与CPU实际的运行能力并没有直接关系。

CPU时钟周期：主频的倒数是时钟周期，这是CPU中最小的时间元素。每个动作至少需要一个时钟周期。

CPI：每条指令执行所需的时钟周期数。 CPU执行时间：

CPU执行时间=

CPU时钟周期数IC?CPI?

时钟频率时钟频率MIPS：表示每秒执行多少百万条指令。对于一个给定的程序，MIPS定义如下： MIPS=

指令条数 6执行时间?10MFLOPS：表示每秒执行多少百万次浮点运算。对于一个给定的程序，MFLOPS定义如下： MFLOPS=

浮点操作次数

执行时间?106

1.2 典型例题分析

【例1.1】 下列叙述正确的是（ ）

A. 世界上第一台电子计算机ENIAC首次实现了“存储程序”方案 B. 按照计算机的规模，人们把计算机的发展过程分为4个时代 C. 微型计算机最早出现于第三代计算机中

D. 冯·诺依曼提出的计算机体系结构奠定了现代计算机的基础 解答：D。

试题分析：ENIAC的存储器容量极小，不属于存储器的计算机。通常划分计算机发展时代是以计算机所用的电子元器件为标准的。最早的微型计算机是由大规模集成电路实现的。所以选项A、B、C均错误，正确答案为选项D。

【例1.2】 电子计算机可分为数字计算机、模拟计算机和数模混合计算机，是按（ ）。 A.计算机的用途分类 B.计算机的使用方式分类 C.信息的形式和处理方式分类 D.计算机的系统规模分类 解答：C。

试题分析：根据计算机的用途可分为通用计算机和专用计算机；根据计算机系统的规模可分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机等；根据信息的形式和处理方式可分为电子数字计算机、电子模拟计算机，也可以有数模混合计算机。 【例1.3】 完整的计算机系统应包括（ ）

A.运算器、存储器、控制器 B.外部设备和主机

C.主机和实用程序 D.配套的硬件设备和软件系统 解答：D。

试题分析：一个完整的计算机系统应包括硬件系统和软件系统两大部分，硬件和软件是相辅相成的，不可分割的整体。注意，不要将计算机系统误当作计算机硬件系统。 【例1.4】 计算机的存储器系统是指（ ）

A.RAM B.ROM

C.主存储器 D.Cache、主存储器和辅助存储器 解答：D。

试题分析：在计算机系统中，规模较大的存储器往往分为若干级，称为存储系统。三级存储系统包括Cache、主存储器和辅助存储器。

【例1.5】 对计算机的软、硬件资源进行管理，提供这些功能的软件是（ ） A.操作系统 B.数据库管理系统 C.语言处理程序 D.用户程序 解答：A。

试题分析：操作系统、数据库管理系统和语言处理系统都属于系统软件的范畴，但只有操作系统的任务是对计算机的软、硬件资源进行管理。 【例1.6】 由0、1代码组成的语言，称为（ ）

A.汇编语言 B.自然语言 C.机器语言 D.高级语言 解答：C。

试题分析：机器语言是计算机唯一可以直接识别和执行的语言，它是由二进制代码编写的。而汇编语言是一种助记符来表示计算机指令的语言，高级语言是与计算机硬件结构无关的程序设计语言。

【例1.7】 只有当程序执行时，它才会去将源程序翻译成机器语言，而且一次只能读取、

翻译并执行源代码中的一行语句，此程序称为（ ）

A.目标程序 B.编译程序 C.解释程序 D.汇编程序 解答：C。 试题分析：将高级语言编写的源程序翻译成机器语言的语言处理程序包括编译程序和解释程序，前者是先将源程序转换为目标程序，然后在开始执行；而后者对源程序的处理采用一行一行语句地边解释边执行的方法。

【例1.8】 用于科学计算的计算机中，标志系统性能的主要参数是（ ） A.主频 B.主存容量 C.MIPS D.MFLOPS 解答：D。 试题分析：主频越高和主存容量越大越有利于提高计算机的性能，但它们并不是标志系统性能的主要参数，也就是说主频高和主存大的计算机并不一定就能获得好的性能。MIPS和MFLOPS都是标志系统性能的主要参数，MIPS表示每秒执行百万条指令条数，用来描述计算机定点运行速度，MFLOPS表示每秒钟执行百万次浮点运算，用来描述计算机的浮点运行速度，而科学计算的计算机更看重浮点运算速度。

【例1.9】 微机A和B采用了不同主频的CPU芯片，片内逻辑电路完全相同。 (1) 若A机的CPU主频为8MHz，B机为12MHz，则A机的CPU时钟周期为多少？ (2) 如A机的平均指令执行速度为0.4MIPS,那么A机的平均指令周期为多少？ (3) B机的平均指令执行速度为多少？ 解答：

（1） 0.125us （2） 2.5us （3） 0.6MIPS 试题分析：