計算機組成原理——計算機系統概述考研題

第一章 計算機系統概述

 

瞭解計算機的發展歷程
搞清楚計算機的系統層次結構
計算機硬件的基本組成(五大部件)
計算機軟件的分類
計算機的基本工做過程
瞭解計算機性能評價指標和相關參數
吞吐量、響應時間;
CPU時鐘週期、主頻、CPI、CPU執行時間;
MIPS、MFLOPS等。

1計算機系統設計的定量原理

1. 大機率事件優先原則
    對於大機率事件（最多見的事件），賦予它優先的處理權和資源使用權，以得到全局的最優結果。
2. Amdahl定律（阿姆達爾定律）
    加快某部件執行速度所得到的系統性能加速比，受限於該部件在系統中所佔的重要性。

 2加速比

系統加速比依賴於兩個因素：
可改進比例：可改進部分在原系統計算時間中所佔的 比例，它老是小於等於１的。
    例如: 一個需運行60秒的程序中有20秒的運算能夠加速，那麼該比例就是20/60。

部件加速比：可改進部分改進之後的性能提升，通常狀況下它是大於１的 。
  例如: 系統改進後執行程序，其中可改進部分花費2秒的時間，而改進前該部分需花費5秒，則性能提升爲5/2。

總執行時間_改進後 = 不可改進部分的執行時間 +  可改進部分改進後的執行時間

 例1.1】將計算機系統中某一功能的處理速度加快10倍，但該功能的處理時間僅爲整個系統運行時間的40%，則採用此加強功能方法後，能使整個系統的性能提升多少？
解：由題可知，可改進比例Fe＝ 40%＝0.4，部件加速比Se＝10，根據Amdahl定律可知：
   
 系統加速比 =  

 

整個系統的性能提升到原來的1.5625倍。

3CPU的性能  

(1)將程序執行的時間進行分解
    1) 計算機工做的時鐘頻率
       計算機系統中與實現技術和工藝有關的因素。單位是MHz(f)。
    2) 總時鐘週期數
程序執行的CPU時間 : CPU時間 = 總時鐘週期數 / 時鐘頻率
(2)「指令時鐘數」CPI(Cycles Per Instruction)
   一個與計算機體系結構有關的參數。

CPI = 總時鐘週期數 / IC
IC：程序執行過程當中所處理的指令數。
(3)程序執行的CPU時間能夠寫成
            總CPU時間 = CPI * IC / 時鐘頻率
◆ 時鐘頻率：反映了計算機實現技術、生產工藝和計算機組織。
◆ CPI：反映了計算機實現技術、計算機指令集的結構和計算機組織。
◆ IC：反映了計算機指令集的結構和編譯技術。
(4)對CPU性能公式進行進一步細化
假設：計算機系統有n種指令；
      CPIi ：第i種指令的處理時間；
      ICi  ：在程序中第i種指令出現的次數；
則程序執行時間爲

其中：(ICi / IC)反映了第i種指令在程序中所佔的比例。

 

 4計算機系統的性能評價

（1）MIPS  表示每秒處理的百萬級的機器語言指令條數。MIPS的定義爲：

 

（2）MFLOPS  表示每秒處理的百萬級浮點指令條數。對於一個給定的程序，MFLOPS的定義爲：

 

本章小結

1.計算機主要指數字計算機，一般分爲專用計算機和通用計算機兩大類。專用和通用是根據計算機的效率、速度、價格、運行的經濟性和適應性來劃分的。
2.計算機的生命在於它的普遍應用，應用的範圍幾乎涉及人類社會的全部領域。
3.計算機的硬件是指構成計算機的各種有形的電子器件，它包括運算器、存儲器、控制器、適配器、輸入輸出設備等。傳統上將運算器+控制器稱爲ＣＰＵ，而將ＣＰＵ+ 存儲器稱爲主機。
4.目前大多數計算機爲馮·諾依曼型結構，其特色爲：根據存儲程序、按地址順序執行程序（指令），直至完成任務。  
5.計算機軟件通常分爲系統程序和應用程序兩大類。系統程序用來簡化程序設計，簡化使用方法，提升計算機的使用效率，發揮和擴大計算機的功能和用途，它包括：(1)各類服務程序，(2)語言類程序，(3)操做系統，(4)數據庫管理系統。而應用程序則是針對某一應用需求所開發的軟件。
6.計算機系統是一個由硬件、軟件組成的多級層次結構系統，它一般由微程序級、通常機器級、操做系統級、彙編語言級、高級語言級組成，每一級上都能進行程序設計，而且可獲得下面各級的支持。
7.計算機體系結構是指程序員所看到的一個計算機系統的屬性，主要研究硬件和軟件功能的劃分，肯定硬件和軟件的界面。計算機體系結構、計算機組成和計算機實現是三個不一樣的概念，各自有不一樣的含義，可是又有着密切的聯繫。

例題

 

 

 

 

（2009）

 11.馮·諾依曼計算機中指令和數據均以二進制形式存放在存儲器中，CPU 區分它們的依據是
A.指令操做碼的譯碼結果  
B.指令和數據的尋址方式
C.指令週期的不一樣階段    
 D.指令和數據所在的存儲單元
答案：C  
   考點：馮諾依曼思想的基本概念

（2010）
12.下列選項中，能縮短程序執行時間的措施是(  )
1.提升CPU時鐘頻率
2.優化經過數據結構
3.優化經過程序
A.僅1和2              B.僅1和3
C,僅2和3              D.1,2,3

答案：D

(2011)

12．下列選項中，描述浮點數操做速度指標的是
A．MIPS       B．CPI    
C．IPC         D．MFLOPS

答案：D

(2012)

假定基準程序 A 在某計算機上的運行時間爲 100 秒,其中 90 秒爲 CPU 時間,其他爲 I/O 時間。若 CPU 速度提升 50%，I/O 速度不變，則運行基準程序 A 所耗費的時間是( )
A. 55 秒         B. 60 秒    
 C. 65 秒        D. 70 秒

答案：D

令原始主頻爲f，則原始時鐘週期T＝1/f。CPU速度提升50%，則f’=1.5f，故T’=1/(1.5f)=2/(3f)
CPU執行時間t＝CPU時鐘週期數C×CPU時鐘週期T,
CPU運行的時鐘週期數C不變，則t與T成正比。故t’=(2/3)t=90×(2/3)=60(s)
基準程序A所耗費的時間＝60+10＝70(s)

(2013)

12 、某計算機主頻爲 1.2GHz，其指令分爲 4 類，它們在基準程序中所佔比例及 CPI 以下表所示。該機的 MIPS 數是
A. 100         B. 200
 C. 400        D. 600

 

答案：C
解析：基準程序的CPI=2*0.5+3*0.2+4*0.1+5*0.2=3，計算機的主頻爲 1.2GHz，爲1200MHz，該機器的是 MIPS 爲 1 200/3=400。

(2014)

12. 程序P在機器M上的執行時間是20秒，編譯優化後，P執行的指令數減小到原來的70%，而CPI增長到原來的1.2倍，則P在M上的執行時間是
    A  8.4秒    B  11.7秒     C  14秒      D  16.8秒

答案：D
解析：總CPU時間 = N*CPI *T

(2015)

計算機硬件可以直接執行的是（）Ⅰ．機器語言程序 Ⅱ．彙編語言程序 Ⅲ．硬件描述語言程序

A．僅Ⅰ      B．僅Ⅰ Ⅱ
C．僅Ⅰ Ⅲ   D．ⅠⅡ Ⅲ

答案： A
解析：用匯編語言等非機器語言書寫好的符號程序稱源程序,運行時彙編程序要將源程序翻譯成目標程序，目標程序是機器語言程序

一、完整的計算機系統應包括（）
A運算器、存儲器、控制器
B外部設備和主機
C主機和實用程序
D配套的硬件設備和軟件設備
答案： D

二、馮。諾依曼機工做方式的基本特色是（）
A多指令流單數據流
B按地址訪問並順序執行指令
C堆棧操做
D存儲器按內容選擇地址
答案： B

三、存儲單元是指（）
A存放一個字節的全部存儲元集合
B存放一個存儲字的全部存儲元集合
C存放一個二進制信息位的存儲元集合
D存放一條指令的存儲元集合
答案： B

四、存儲字是指（）
A存放在一個存儲單元中的二進制代碼組合
B存放在一個存儲單元中的二進制代碼位數
C存儲單元的集合
D機器指令
答案： A

五、（）能夠區分存儲單元中存放的是指令仍是數據
A、存儲器    B、運算器    C、控制器    D、用戶
答案： C