第一章 计算机系统概述

了解计算机的发展历程

搞清楚计算机的系统层次结构

计算机硬件的基本组成(五大部件)

计算机软件的分类

计算机的基本工作过程

了解计算机性能评价指标和相关参数

吞吐量、响应时间;

CPU时钟周期、主频、CPI、CPU执行时间;

MIPS、MFLOPS等。

1计算机系统设计的定量原理

1. 大概率事件优先原则

对于大概率事件(最常见的事件)，赋予它优先的处理权和资源使用权，以获得全局的最优结果。

2. Amdahl定律(阿姆达尔定律)

加快某部件执行速度所获得的系统性能加速比，受限于该部件在系统中所占的重要性。

2加速比

系统加速比依赖于两个因素：

可改进比例：可改进部分在原系统计算时间中所占的 比例，它总是小于等于１的。

例如: 一个需运行60秒的程序中有20秒的运算可以加速，那么该比例就是20/60。

部件加速比：可改进部分改进以后的性能提高，一般情况下它是大于１的 。

例如: 系统改进后执行程序，其中可改进部分花费2秒的时间，而改进前该部分需花费5秒，则性能提高为5/2。

总执行时间改进后 = 不可改进部分的执行时间 +  可改进部分改进后的执行时间

例1.1】将计算机系统中某一功能的处理速度加快10倍，但该功能的处理时间仅为整个系统运行时间的40%，则采用此增强功能方法后，能使整个系统的性能提高多少？

解：由题可知，可改进比例Fe＝ 40%＝0.4，部件加速比Se＝10，根据Amdahl定律可知：

系统加速比 =  

整个系统的性能提高到原来的1.5625倍。

3CPU的性能

(1)将程序执行的时间进行分解

1) 计算机工作的时钟频率

计算机系统中与实现技术和工艺有关的因素。单位是MHz(f)。

2) 总时钟周期数

程序执行的CPU时间 : CPU时间 = 总时钟周期数 / 时钟频率

(2)“指令时钟数”CPI(Cycles Per Instruction)

一个与计算机体系结构有关的参数。

CPI = 总时钟周期数 / IC

IC：程序执行过程中所处理的指令数。

(3)程序执行的CPU时间可以写成

总CPU时间 = CPI * IC / 时钟频率

◆ 时钟频率：反映了计算机实现技术、生产工艺和计算机组织。

◆ CPI：反映了计算机实现技术、计算机指令集的结构和计算机组织。

◆ IC：反映了计算机指令集的结构和编译技术。

(4)对CPU性能公式进行进一步细化

假设：计算机系统有n种指令；

CPIi ：第i种指令的处理时间；

ICi  ：在程序中第i种指令出现的次数；

则程序执行时间为

其中：(ICi / IC)反映了第i种指令在程序中所占的比例。

4计算机系统的性能评价

(1)MIPS  表示每秒处理的百万级的机器语言指令条数。MIPS的定义为：

(2)MFLOPS  表示每秒处理的百万级浮点指令条数。对于一个给定的程序，MFLOPS的定义为：

本章小结

1.计算机主要指数字计算机，通常分为专用计算机和通用计算机两大类。专用和通用是根据计算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分的。

2.计算机的生命在于它的广泛应用，应用的范围几乎涉及人类社会的所有领域。

3.计算机的硬件是指构成计算机的各类有形的电子器件，它包括运算器、存储器、控制器、适配器、输入输出设备等。传统上将运算器+控制器称为ＣＰＵ，而将ＣＰＵ+ 存储器称为主机。

4.目前大多数计算机为冯·诺依曼型结构，其特点为：根据存储程序、按地址顺序执行程序(指令)，直至完成任务。

5.计算机软件一般分为系统程序和应用程序两大类。系统程序用来简化程序设计，简化使用方法，提高计算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功能和用途，它包括：(1)各种服务程序，(2)语言类程序，(3)操作系统，(4)数据库管理系统。而应用程序则是针对某一应用需求所开发的软件。

6.计算机系统是一个由硬件、软件组成的多级层次结构系统，它通常由微程序级、一般机器级、操作系统级、汇编语言级、高级语言级组成，每一级上都能进行程序设计，并且可得到下面各级的支持。

7.计算机体系结构是指程序员所看到的一个计算机系统的属性，主要研究硬件和软件功能的划分，确定硬件和软件的界面。计算机体系结构、计算机组成和计算机实现是三个不同的概念，各自有不同的含义，但是又有着密切的联系。

例题

(2009)

11.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

答案：C

考点：冯诺依曼思想的基本概念

(2010)

12.下列选项中，能缩短程序执行时间的措施是(  )

1.提高CPU时钟频率

2.优化通过数据结构

3.优化通过程序

A.仅1和2              B.仅1和3

C,仅2和3              D.1,2,3

答案：D

(2011)

12．下列选项中，描述浮点数操作速度指标的是

A．MIPS       B．CPI

C．IPC         D．MFLOPS

答案：D

(2012)

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

答案：D

令原始主频为f，则原始时钟周期T＝1/f。CPU速度提高50%，则f’=1.5f，故T’=1/(1.5f)=2/(3f)

CPU执行时间t＝CPU时钟周期数C×CPU时钟周期T,

CPU运行的时钟周期数C不变，则t与T成正比。故t’=(2/3)t=90×(2/3)=60(s)

基准程序A所耗费的时间＝60+10＝70(s)

(2013)

12 、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。该机的 MIPS 数是

A. 100         B. 200

C. 400        D. 600

答案：C

解析：基准程序的CPI=2*0.5+3*0.2+4*0.1+5*0.2=3，计算机的主频为 1.2GHz，为1200MHz，该机器的是 MIPS 为 1 200/3=400。

(2014)

12. 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

答案：D

解析：总CPU时间 = CPI *IC(指令条数)/f(时钟频率)

这样我们能够得到这样一个式子 20=CPI*IC/f ①

设编译后的总CPU时间为X

那么x=1.2*CPI*0.7*IC/f    ②

由于是同一台机器，时钟频率不会改变

两个式子相联得到x=1.2*0.9*20

(2015)

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．ⅠⅡ Ⅲ

答案： A

解析：用汇编语言等非机器语言书写好的符号程序称源程序,运行时汇编程序要将源程序翻译成目标程序，目标程序是机器语言程序

1、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设备

答案： D

2、冯。诺依曼机工作方式的基本特点是()

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

答案： B

3、存储单元是指()

A存放一个字节的所有存储元集合

B存放一个存储字的所有存储元集合

C存放一个二进制信息位的存储元集合

D存放一条指令的存储元集合

答案： B

4、存储字是指()

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存储单元的集合

D机器指令

答案： A

5、()可以区分存储单元中存放的是指令还是数据

A、存储器    B、运算器    C、控制器   D、用户

答案： C