计算机硬件系统概述

1、第 2 章 计算机硬件系统概述随着科学的发展，计算机在我们的学习和工作中应用越来越广泛， 那是因为计算机有着运算速度 快、记忆能力强和有逻辑判断能力的优点。要想知道为什么计算机能具有这些优点，就要求我们了解 计算机的基本构成和工作原理在硬件系统实现数学运算和逻辑运算的基础上， 通过软件程序的控 制，实现各种复杂的运算和控制功能，了解计算机进行数据处理的基本过程，掌握与计算机构成有关 的各种概念及其中所含的意义。本章就以基本概念、基本理论、典型例题和习题解答的形式来复习计 算机的工作原理及其硬件和软件系统，并为后面章节的学习打下牢固的基础。2.1 基础知识2.1.1 计算机的发展世界上第一台电子

2、数字计算机是1946 年 2月问世的 ENIAC （ Electronic Numerical Integrator AndComputer）。自1946年第一台电子数字计算机问世以来，根据计算机使用的电子元器件的更新阶段,电子数字计算机的发展已经历了 4 代。（1）第一代计算机（ 1946? 1957 年） 用机器语言；可以存储信息；运行速度慢。（2）第二代计算机（ 1958? 1964年） 磁心存储器；用汇编语言取代机器语言。（3）第三代计算机（ 1965? 1971 年） 晶体管；采用半导体存储器；使用了操作系统等。（4）第四代计算机（ 1972年? 现在） 的电路。电子管时代。主要特点

3、：以电子管作为开关元件：使 晶体管时代。主要特点：以晶体管代替电子管：采用 中小规模集成电路时代。主要特点：以集成电路取代 超大规模集成电路时代。主要特点：采用集成度很高随着大规模集成电路技术的发展，微型计算机的发展又可划分为以下几代：1）采用 Intel 8088 处理器的微型计算机 IBM PC 和 IBM PC/XT 为第一代微型计算机；2）采用 Intel 80286 处理器的微型计算机 IBM PC/AT 为第二代微型计算机（简称 286机）；3）采用 Intel 80386 处理器的微型计算机为第三代微型计算机（简称386 机）；4）釆用 Intel 80486 处理器的微型计算机

4、为第四代微型计算机（简称486机）；5）采用 Pentium 处理器的微型计算机为第五代微型计算机。2.1.2 计算机的特点及应用1. 计算机的特点计算机的特点如下：（ 1 ）快速性 电子计算机采用了高速电子器件，这是快速处理信息的物质基础：另外，存储程序技术也使电子 器件的快速性得到充分发挥。（ 2 ）通用性 计算机处理的信息不仅可以是数值数据，也可以是非数值教据。另外，软件越丰富，计算的通用 性越强。（ 3）准确性计算机运行的准确性也包括两方面含义： 计算精度高。计算精度取决于运算中数的位数，位数越多越精确； 计算方法科学。计算方法由程序体现，一个算法正确且优质的程序，再加上高位数的计算功

5、 能，才能确保计算结果的准确性。（ 4）逻辑性逻辑判断与逻辑运算是计算机的基本功能之一。通过执行能体现逻辑判断和逻辑运算的程序，使 整个系统具有逻辑性。2. 计算机的应用计算机的应用体现在科学技术计算、数据信息处理、计算机控制、计算机辅助技术和家庭电脑化 上。其中，计算机辅助技术包含计算机辅助设计（CAD ）、计算机辅助制造（CAM ）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助教学（CAI ）等。2.1.3计算机的类型及发展方向电子计算机从总体上来说可以分为两大类：电子模拟计算机和电子数字计算机。计算机按用途可 分为专用计算机和通用计算机。通用计算机又可分为巨型机、大型机、中型机、小型机、图形工作

6、站、微型机和单片机7类。计算机的发展方向：（1）巨型化；（2）微型化；（3）网络化；（4）智能化；（5）多媒体化；2.1.4计算机系统的组成一台完整的计算机系统包括硬件系统和软件系统。计算机系统的组成结构如图2.1所示。硬件系统寄存器运算器控制器r ROM（只读）内存储器.RAM （随机）"硬盘1SRAMI存储YDRAM软盘J外存储器J中央处理磁带机光盘PROMEPROMe2promROM计算机系统厂键盘厂输入设备Y鼠标扫描仪显示器输出设备V打印机器仪绘图仪I外设操作系统 语言处理程序 服务性程序 数据库管理系统 计算机网络软件 辅助设计软件 信息管理软件 文字处理软件 各种程序包系

7、统软件软件系统图2.1计算机系统的组成2.1.5计算机系统的层次结构现代计算机是一个十分复杂的硬、软件结合而成的整体。 它通常由5个以上不同的级组成，每一级都能进行程序设计，如图2.2所示。第1级是微程序设计级。这是一个实在的硬件级，它由机器硬件直接执行微指令。第2级是一般机器级，也称为机器语言级， 它由微程序解释机器指令系统，这一级也是硬件级。第3级是操作系统级，它由操作系统程序实现。第4级是汇编语言级，它给程序人员提供一种符号形式语言，以减少程序编写的复杂性。这一级由汇编程序支持和执行。第5级是高级语言级，这级是面向用户的，为方便用户编写应用程序而设置。 系统软件操作系统级一般机器级硬件系

8、统微程序设计级图2.2计算机系统的层次结构示意图在如图2.2所示的多级结构中，将除硬件系统（第1层和第2层）之外的上面3个层次称为虚拟计算机。所谓虚拟计算机是指这个计算机只对该级的观察者存在。对某一层次的观察者来说，他只能是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和实现的就不必关心了。简而言之，虚拟计算机即是由软件实现的机器。计算机系统各层次之间的关系紧密，上层是下层功能的扩展， 下层是上层的基础。另外,层次划分也不是绝对的。2.1.6计算机的硬件系统计算机的硬件是指计算机中的电子线路和物理装置。（1 ）存储程序的概念存储程序的概念简要地概括为以下几点：计算机（指硬件）由运算器、

9、存储器、控制器、输入设备和输出设备5大基本部件组成；计算机内部采用二进制来表示指令和数据；将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后再由计算机自动执行，使计算机 在不需要人工干预的情況下，自动、告诉地从存储器中取出指令加以执行，这就是 存储程序的基本含义。（2）计算机的硬件组成前面介绍的四代计算机都是建立在存储程序概念的基础上的，按照这个基本原理建立起来的计算机统称为冯 诺依曼结构型计算机。它具有共同的棊本配置，即 5大部件：存储器、 运算器、控制器、输入设备和输出设备。在现代计算机中，将运算器、控制器及缓存（Cache）合在一起，称为中央处理器（CPU）, 而将CPU、存储器、输入输出接口

10、和系统总线组装在一个机壳内，称为主机。输入设备和 输出设备统称输入输出设备，有时也称外部设备。计算机硬件系统基本组成框图如图2.3所示。CPU主机接口接口0 01输入设备输出设备图2.3计算机硬件系统的基本组成 存储器存储器的主要功能是存放程序和数据。 运算器运算器是对信息进行处理和运算的部件。运算器一次运算二进制的位置，称为字长。寄存器、累加器及存储单元的长度应与ALU （算术逻辑运算部件）的字长相等或者是它的整数倍。 控制器控制器是全机的指挥中心， 它使计算机各部件自动协调地工作。计算机中有两种信息在流动：一种是控制信息，即操作指令，其发源地是控制器，它分散流向各个部件；一种是数 据信息，

11、它受控制信息的控制，从一个部件流向另一个部件，边流动边加工处理。指令和数据统统放在内存中。 一般来讲，在取指周期从内存读出的信息流是指令流，它流向控制器，由控制器解释从而发出一系列微操作信号：而在执行周期从内存读出成送入内存的信息流是数据流，它由内存流向运算器，或者由运算器流向内存。 输入设备输入设备是将人们熟悉的信息形式变换成计算机能接收并识别的信息形式的设备。 输出设备输出设备是将计算机运算结果的二进制信息转换成人类或其他设备能接收和识别的形 式的设备。外存储器也是计算机中重要的外部设备，它既可以作为输入设备，也可以作为输出设备。2.1.7计算机的软件系统台计算机中全部程序的集合，称为这台

12、计算机的软件系统。1.软件系统的分类软件按其功能分， 有成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 而編制的一些程序； 系统软件用于实现计算机系统的管理、调度、 监视和服务等功能， 其目 的是方便用户，提高计算机使用效率，扩充系统的功能。通常将系统软件分为以下 6 类。(1) 操作系统 操作系统是控制和管理计算机各种资源、 自动调度用户作业程序、 处理各种中断的软件。 其作用是控制和管理系统资源，它是用户与计算机的接口。(2) 语言处理程序程序设计语言一般可分为 3 类： 机器语言、 汇编语言和高级语言。 用二进制代码表示的 计算机语言称为机器语言， 用机器语言编写的程序可以

13、直接执行： 用助记符表示的语言称为 汇编语言， 用汇编语言编写的程序需要通过汇编程序翻译成目标程序后才可执行； 用高级语 言编写的程序称为源程序。不同语言的源程序，对应有不同的语言处理程序。语言处理方式有汇编程序、 编译程序、 解释程序 3 种。汇编程序的功能是把用汇编语言 编写的源程序翻译成二进制代码的目标程序，其翻译过程称为汇编。高级语言的处理程序， 按其翻译方法的不同， 可分为解释程序与编译程序两大类。 解释程序对源程序的翻译采用边 解释、边执行的方法，并不生成目标程序；而编译程序必须先将源程序翻译成目标程序后， 才能开始执行。(3) 标准库程序 通常将一些常用的程序段按照标准的格式先编

14、制好， 组成一个标准程序库， 存入计算机 系统中，需要时由用户选择合适的程序段嵌入自己的程序中。(4) 服务性程序服务性程序 (也称工具软件) 扩展了机器的功能， 一般包括诊断程序、 调试程序等功能。(5) 数据库管理系统数据库和数据库管理软件一起，组成数据库管理系统。(6) 计算机网络软件 计算机网络软件是为计算机网络配置的系统软件。它负责对网络资源进行组织和管理， 实现相互之间的通信。2. 软件与硬件的关系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。 没有系统软件， 现代 计算机系统就无法正常地、有效地运行；没有应用软件，计算机就不能发挥效能。任何操作可以由软件来实现，也可

15、以由硬件来实现；任何指令的执行可以由硬件完成， 同样也可以由软件来完成。计算机系统的软件与硬件可以互相转化，它们之间互为补充。将程序固定在 ROM 中组成的部件成为固件。 固件是一种具有软件特性的硬件，它既具 有硬件的快速性特点，又有软件的灵活性特点。这是软件和硬件互相转化的典型实例。2.1.8 冯?诺依曼结构及特点 在计算机的各个基本部件中，通常把运算器和控制器合在一起称为中央处理器( CPU), 还把 CPU 、存储器和输入输出接口电路合在一起构成的处理系统称为主机。外围设备一般 包含一些难以与主机集成的机械部件， 所以它们常常与主机分离。 这种计算机结构是著名计 算机科学家冯 ?诺依曼等

16、人在早期计算机设计中采用的结构，而且在后来的计算机中不断沿 用，被称为冯 ?诺依曼结构。通常情况下它有如下主要特点： 采用 5 个基本部件， 采用二进制的数据表示方式， 采用 存储程序的工作方式， 程序中的各条指令按顺序串行地执行。 存储程序方式是指计算机完成指定功能之前，先将实现该功能的程序(即软件)装入内存，然后根据程序的规定一步一步地完成操作。计算机中存储的程序和数据都是二进制形式的代码。2.1.9 运算器的基本功能运算器是完成运算功能的部件，主要包括算术逻辑单元和寄存器。其功能如下 :(1) 算术逻辑单元：一个组合数字电路，一般有两个数据信号输入端和一个数据信号输 出端， 可同时输入两

17、个参加运算的操作数。 算术逻辑单元能执行各种数据运算操作， 包括算 术运算和逻辑运算。算术运算：对二进制表示的数据进行算术计算，如加减乘除四则运算。 逻辑运算：主要是一些布尔运算和移位运算，布尔运算按位对数据进行运算。 按位运算：同时对数据的各个二进制位进行相同的与、或、非运算，运算数据的每 一个位是相互无关的，没有进位或者借位的操作。移位运算：按一定的规律移动数据的位，改变数据的二进制位的位置。(2) 寄存器： 为了保存运算中所需要的数据， 在运算器中一般都有一些临时存放数据的 寄存器。寄存器由若干个触发器构成 ,一个寄存器可存故一个宇的数据。2.1.10 存储器的类型和操作存储器是存储程序

18、和数据的部件，包括主存储器和辅助存储器。(1) 主存储器：计算机主机内部的存储器，可以被 CPU 直接访问，用于存放运行的程 序和数据。(2) 辅助存储器：主机外部的存储器，CPU不能直接访问。当 CPU需要访问存放在外 存中的数据或者程序时，需要通过输入输出部件先将程序和数据传输到内存中。为了确定存储器中的某个存储位置， 需要给每个存储单元指定一个地址。 一般用一个二 进制编码表示每个存储单元的地扯。地址可分为字地址和字节地址两种。如果一个字等于4个字节， 那么每个字单元包含 4 个字节的存储单元， 将字地址乘以 4 就得到这个字的宇节地 址。存储器的操作有两种：写操作：将数据放入某个存储单

19、元中，称为写操作。读操作：将存储单元中的数据取出，称为读操作。读操作和写操作统称为对存储器的访问。2.1.11 计算机硬件系统研究的内容计算机硬件系统研究的内容如下：(1) 计算机实现研究计算机的物理设计， 包括器件的设计与选择、 各模块的机械参数设计、 印刷电路板 的设计与制作、 机箱物理特性的设计和选择， 以及组装技术的设计和选择， 还有电源、 冷却 方式的设计和选择等。计算机组成从逻辑角度研究计算机系统中各个组成部分的构成方法，包括数据通路的构成、 存储系统的设计、运算功能部件的设计、控制器的控制方式以及输入输出接口的设计等。(3) 计算机系统结构对程序员所能看到的计算机的基本属性进行研

20、究， 研究计算概念性结和功能特性。 这些 特性构成计算机系统的外特性。 计算机外特性包括计算机的指令系统、 数据表示、 寻址方式、 寄存器定义、中断机构， 以及输入输出系统和保护机制等的定义。 此外，系统结构还研究计 算机软硬件界面的设计， 新型计算机系统的设计和计算机系统的性能、 成本和可靠性的分析 及评价。2.1.12 冯?诺依曼结构计算机主要的外特性冯?诺依曼结构计算机的主要特性有以下几点：(1) 指令和数据都以字的方式存放在同一存储器中，然后才能运行，从数据和指令本身 看不出相互间的区别，程序需要对指令和数据加以区别。(2) 指令按顺序串行地执行， 并由控制器集中控制， 采用一个 PC

21、 计数器构成指令在存储 器中的地址。(3) 存储器是一个一维的空间，二维或者多维的数据要映射到这个一维的存储空间。(4) 使用低级及其语言，指令和数据以二进制形式表示。(5) 单 CPU 结构，以运算器为中心，采用单指令流单数据流模式。2.1.13 影响计算机系统结构的因素影响计算机系统结构的因素有程序设计语言、软件、应用需求、部件。(1) 程序设计语言 不同的程序书籍语言代表着不同的计算模型， 不同的计算模型需要不同机构的计算机系 统来支持。( 2)软件需求不同的编译程序产生不同特征的程序结构和数据结构， 不同的操作系统采用不同的策略 记性系统管理， 这些都需要系统结构提供相应的支持。 同时

22、， 系统结构的设计也需要系统软 件提供相应的配合，如编译优化等。(3) 应用需求不同的应用需求也对不同的系统结构产生影响， 适合于应用需求的计算机系统必将得到 广泛的应用。(4) 器件 器件的发展使得硬件的成本不断降低， 从而影响硬件界面的划分， 同时器件发展速度之 间的不平衡性也导致了系统结构的变化。如 CPU 何存储器速度之间的差异导致了高速缓存(Cache)的出现。此外，器件的发展还影响到计算机系统的开发手段。2.1.14计算机性能评价的方法计算机性能评价的方法有分析、模拟和测试 3 种：(1) 分析的方法采用数学模型， 通常采用概率论、 排队论和随机过程等数学方法进行分析。 分析结果的

23、 精度比较低。(2) 模拟的方法 用软件建立系统的逻辑模型，并对该模型的行为进行研究，模拟结果的精度可以较高，但建立和验证模拟模型一般需要较长的时间。(3) 测试的方法用工作负载对计算机的性能进行实际衡量。 测试过程在实际计算机系统或者物理模型机 中进行， 可得到跟实际的运算性能， 但它只能在计算机建成之后进行， 而且测试结果与选择 的工作负载无关。2.1.15 简单的计算机性能分析程序在CPU上运行所需的时间 Tcpu为:TcpuI n、CPI、Tc其中In表示要执行程序中的指令总数，CPI表示执行每条指令所需的平均时钟周期数，而Tc则表示时钟周期的时间长度。CPI是各种指令CPI的加权平均

24、，可由下式表示：CPIn7 CPI i Iii A.I N其中Ii表示第i类指令在程序中执行的次数，而CPIi表示执行一条第i类指令所需的平均时钟周期数，n为程序中所有的指令种类数，Rc为Tc的倒数。(1) MIPS 指标MIPS=I NTe 106I NRcIn CPI Tc 106 "CPI 106上式假定Te=Tcpu,即计算机的指令时间就是 CPU的执行时间。Rc为Tc的倒数，上式还反 映了 MIPS值与CPI的关系。(2) MFLOPS 指标MFLOPS=I FNTe 106其中Ifn指程序中浮点运算的数量。由于程序中浮点运算所占的比例各不相同，MFLOPS值也会不同，所以

25、 MFLOPS指标与程序中浮点操作的数量有关。由于各种浮点运算的复杂性不同，为了公正地评价浮点运算性能，通常对程序中每种实际浮点操作乘以一个正则化值，然后再求MFLOPS值。2.1.16计算机性能评价对于计算机性能的好坏，主要由以下几个方面来衡量：(1) 计算机系统性能的衡量尺度是响应时间和吞吐率 响应时间从用户向计算机系统发送一个请求后，到系统对该请求做出相应并获得它所需要的结果的等待时间成为响应时间。其中包括访问磁盘和访问主存储器时间、CPU运算时间，输入输出动作时间以及操作系统工作的时间开销等。 吞吐率吞吐率是指系统响应用户请求的速率。对于CPU，吞吐率可表示为每秒钟可执行的指令数，或每

26、秒执行的浮点操作次数。(2) 计算机的性能评价有峰值性能和持续性能两个指标 峰值性能此指标反映出在理想情况下计算机可获得的最高性能。实际上由于程序运行时的资源冲突等因素使得计算机不能充分发挥其最大的计算能力。 持续性能此指标是实际性能指标。它是计算机运行程序时能测量到的性能。(1) 事务处理它是指计算机在商业、金融、证券、贸易等应用场合的处理方式。一般运行大型数据库，进行大量运算简单的事务处理。计算机系统的事务处理性能指标是每秒处理的事务数(TPS)。2.1.17计算机性能测试方法用于测试计算机性能的方法如下：(1)用于测试计算机性能的工作负载类型有指令混合、核心程序、合成程序和应用测试 程序

27、*指令混合将各种指令按其使用频率混合而成。«核心程序从实际应用程序中提取出的运行时间最长的核心部分，代表应用程序中的常用操作。*合成程序人为合成的对计算机系统的各方面性能进行测试的程序，用参数反映实际应用程序特征，设置不同的参数可以构成具有不同特征的测试程序。*应用测试程序 从实际应用的程序中选取的典型程序。(2)基准测试程序标准化的性能测试程序， 通常由一组核心程序、合成程序和应用测试程序构成，如SPEC制定的SPEC95。其中每个程序代表不同的应用程序特征。用基准测试程序中的这些程序进 行运行测试可得到一组测试数据，对这些数据进行统计的方法有算术平均、几何平均和调和平均3种求平均

28、值的方法。算术平均值Am1 J 11 1(- m±T n T；几何平均值Gm调和平均值HmH n - nm _ n 1_ n、音、Ti饪 卜 i赴Am加权的算术平均值砂F WiAm 二 Wi Ri 土i 生 T加权的几何平均值GmnGm -III RWi =RW1 瞪Pi 土加权的调和平均值HmWT1W2T2.WnTn如 SPECh上述加权平均值表达式中 7 W =1。不同的基准测试程序采用不同的统计方法,i 1采用调和平均，iCOMP采用几何平均等。2.1.18计算机主要性能指标计算机的主要性能指标有以下几项：4基本字长基本字长是指参与运算的数的基本位数，它是由加法器、寄存器、数据

29、总线的位数决定的。字长标志着精度，字长越长，计算的精度越高。数据通路宽度数据总线一次所能并行传送的位数，称为数据通路宽度。*主存容量一个主存储器所能存储的全部信息称为主存容量。运算速度它是用每秒能执行的指令条数来表示，单位是条数/秒。MIPS表示每秒百万条指令。«主频率在每台计算机内部，均有一个不断地产生固定频率的时钟脉冲的装置，称为主时钟。 主时钟的频率通常就是机器的主频率，主频率是衡量一台计算机速度的重要参数。2.2典型例题例2.1表2-1列出了用两个基准测试程序对3台计算机进行测试所得到的运行速度值。（1） 以计算机X为参考机，用算术平均和几何平均比较这3台计算机的相对性能。（

30、2） 以计算机Y为参考机，用算术平均和几何平均比较这3台计算机的相对性能。表2-1用两个基准测试程序对3台计算机进行测试所获得的运行速度值基准测试程序计算机X计算机Y计算机ZB1201040B2408020【解】（1）由表2-1可见，对基准测试程序 B1，Y机的速度为X机的一半，但对基准测试程 序B2，Y机速度为X机的一倍。类似的，对B1, Z机速度为X机的一倍，对B2，Z机的速度则为X机的一半。如果将这些测试值以X机为基准进行折算，就得到如表2-2所示的相对性能值。从表2-2课件，根据算术平均值 Am ,Y机和Z机速度均比X机要快25%;而根 据几何平均值，3台计算机的性能一样。表2-2以X

31、机为基准进行折算得到的相对性能值基准测试程序计算机X计算机Y计算机ZB11.000.502.00B21.002.000.50Am1.001.251.25Gm1.001.001.00（2）如果以Y机作为标准来计算相对性能值，将得到如表2-3所示的结果值。由该结果值可知，根据算术平均值 Am,现在X机速度比Y机快25%，Z机似乎更快；而根据几何平 均值，3台计算机的性能仍然一样。显然，选用不同的参考计算机，将会得到不同的Am值。表2-3以Y机为标准来计算相对性能值所得到的结果基准测试程序计算机X计算机Y计算机ZB12.001.004.00B20.501.000.25Am1.251.002.13Gm

32、1.001.001.00例2.2用一台40MHz的处理机执行标准测试程序，它所包含的混合指令数和相应所需 的时钟周期如表 2-4所示。求有效 CPI，MIPS速率和程序的执行时间。表2-4包含的混合指令数和响应所需的时钟周期指令类型CPI指令混合比算术和逻辑160%咼速缓存命中的访存218%转移412%高速缓存失效的访存810%【解】CPI的计算采用加权平均的方法，权重就是每种指令出现的概率，即指令混合比。有效 CPI=1X60%+2K 18%+4< 12%+8< 10%=2.24MIPS 速率=40/2.24=17.96 10Tcpu=In XCPI XTc = InYPI/Rc

33、 = InX2.24/（40 10Q=5.6 W" XIn （秒）例2.3用一台40MHz处理机执行标准测试程序，它所包含的混合指令数和相应所需的 时钟周期数如表 2-5所示。求有效 CPI, MIPS速率和程序的执行时间。表2-5包含的混合指令数和响应所需的时钟周期指令类型指令数时钟周期数整数运算450001数据传送320002浮点运算150002控制传送80002【解】上述指令总数为 45000+32000+15000+8000=100000 条，4种指令的使用比例分别为 45%、32%、15% 和 8%。有效 CPI=1X45%+X 32%+X 15%+X 8%=1.55MIP

34、S 速率=40/1.55=25.8程序的执行时间=1000001X1.55/(40 X06)=3.875 X0"3 (秒)例2.4某工作站采用时钟频率为15MHz、处理速率为10MIPS的处理机来执行一个已知混合程序。假定每次存储器存取周期为1的延迟，试问：(1) 此计算机的有效 CPI是多少？(2) 假定将处理机的时钟提高到30MHz，但存储子系统速率不变。这样，每次存储存取需要2个周期。如果30%的指令中每条只需1次存储器存取，而另外的5%的每条需2次存储器存取，还假定一直混合程序的指令数不变，并与原工作站兼容， 试求改进后的处理机性能。【解】(1) 计算机的CPI值可以从它的

35、MIPS值和时钟频率计算得到：6 6 CPI=15 XI0 心0 10 ) = 1.5(2) 在指令执行中，每次访存需要增加1个时钟周期，这样程序执行的CPI为：CPI=1.5+0.30 (2-1)+0.05 2 X(2-1)=1.9根据MIPS计算公式，可得：6 6 6MIPS 值=Rc /(CPI 10 )=30 X0 心.9 10 ) = 15.79例2.5某台计算机只有Load/Store指令能对存储器进行读/写操作，其他指令只对寄存器 进行操作。根据程序跟踪实验的结果，已知每种指令所占的比例及CPI数如表2-6所示。(1) 求表中所列情况下的平均CPI。(2) 假设程序由M条指令组成

36、。在算术逻辑运算中，25%的指令两个操作数中的一个已在寄存器中，另一个必须在算术逻辑指令执行前用Load指令从存储器中取到寄存器中。因此有人建议增加另一种算术逻辑指令，其特点是一个操作数取自寄存器，另一个操作数取自存储器，即寄存器-存储器类型，假设这种指令的CPI等于2，同时，转移指令的 CPI变为3。求新指令系统的平均CPI。表2-6每种指令所占的比例及CPI数指令类型指令所占比例/%CPI算术逻辑指令431Load指令212Store指令122转移指令242【解】(1) 平均CPI为：CPI=43%X1+21%X2+12%X2+24%X2=1.57(2) 采用新的指令系统后，指令的使用频率

37、将发生变化。在原来的指令中：在算术逻辑指令中有 75%不需要配备访存指令，占43%X75%=33.25% ;在算术逻辑指令中有 25%需要配备访存指令，占 43%X25%=10.75% ;Load指令除去为算术逻辑指令配备以外的有21%-43%X25%=10.25% ;Store指令的数量占12%，转移指令占24%。在新的指令系统中，Load指令的个数将减少，总指令数减为原来总数的1-10.75%=89.25%。新的指令出现比例为：原有算术逻辑指令为：32.25%/89.25%=36.13% , CPI为1 ;新增算术逻辑指令为：10.75%/89.25%=12.04% , CPI为2;Loa

38、d 指令为：10.25%/89.25%=11.48% , CPI 为 2;Store 指令为：12%/89.25%=13.45% , CPI 为 2;转移指令为：24%/89.25%=26.89% , CPI 为 3.这样，新的 CPI 为：CPI=36.13% >1+(12.04%+11.48%+13.45)2+26.89% X3=1.908结果表明，改动方案使得 CPI 值增加， CPU 性能下降，所以这种方案不合适。例 2.6 假定某计算机有以下测试结果：浮点操作指令使用频率为25%；浮点指令平均 CPI 为 4.0；其他指令的平均 CPI 为 1.33；浮点平方根指令的使用频率为

39、1%；浮点平方根指令的 CPI 为 20。假定有两种减少 CPI 的措施可供选择， 一种是讲浮点平方根指令的 CPI 将为 2，另一种 是将所有浮点指令的平均 CPI 将为 3。比较这两种设计方案。【解】原来的平均 CPI 为：(4 225%)+(1.33 725%)=2.0提高浮点平方根指令的速度后，平均 CPI 为：2.0-1% 2(20-2)=1.82提高浮点平方根指令的速度后的加速比为：2.00/1.82=1.10提高浮点指令的速度后，平均 CPI 为：(3 225%)+(1.33 725%)=1.75提高浮点指令的速度后的加速比为：2.00/1.75=1.14可见，第二种方案较好。例

40、 2.7 冯 .诺依曼计算机体系结构的基本思想是什么？按此思想设计的计算机硬件系统 应由哪些部件组成？各起什么作用？【解】本题考查的是存储程序的概念、计算机硬件系统的组成。冯.诺依曼计算机体系的基本思想是：存储程序，即将用指令序列描述的解题的程序与 原始数据一起， 存储到计算机中。 计算机只要一启动， 就能自动地一次取出一条条指令并执 行，直至程序执行完毕，得到计算结果为止。按此思想设计的计算机硬件系统包含：运算器、控制器、 存储器、 输入设备和输出设备5 个基本部件。运算部件的作用是用来进行数据变换和各种运算；控制部件则在计算机提供 统一的时钟情况下， 把程序中的各基本操作进行时序分配， 并

41、发出相应的控制信号， 驱动计 算机的各部件按节拍有序地完成程序规定的操作内容； 存储器用来存放程序、 数据及运算结 果；输入输出设备的主要作用是接受用户提供的外部信息或用来向用户提供输出信息。例 2.8 什么是计算机？简要叙述其外部特征。【解】本题考查的是计算机的定义、计算机的特征。 数字电子计算机是一种能自动地、高速地对各种数字化信息进行运算处理的电子设备。 其外部特征有：(1) 快速性。电子计算机采用了高速电子器件，这是快速处理信息的物质基础；另外， 电子计算机米用了存储程序的设计思想。(2) 通用性。即计算机处理的信息不仅可以是数值数据，也可以是非数值数据。(3) 准确性。计算机运行的准

42、确性包括两方面含义：一是计算精度高；二是计算方法科学。计算精度取决于运算中数的位数，位数越多越精确。计算方法由程序体现(4) 逻辑性。逻辑判断与逻辑运算是计算机的基本功能之一。例2.9按照冯.诺依曼原理，现代计算机应具备哪些功能？【解】按照冯.诺依曼提出的原理，计算机必须具有如下功能：(1) 输入输出功能。计算机必须有能力把原始数据和解题步骤接收下来(输入)，并把计算结果与计算过程中出现的情况告诉(输出)给使用者。(2) 记忆功能。计算机应能够 记住”原始数据和解题步骤以及解题过程中的一些中间结 果。(3) 计算功能。计算机应能完成人们所需要的计算。(4) 判断功能。计算机在进行一步操作之后，

43、应当能从预先无法确定的几种方案中选择一种操作方案。(5) 自我控制能力。计算机应能保证程序执行的正确性和各部件之间的协调性。例2.10计算机硬件由 5个基本部分组成，包括 、和。【解】该题为比较简单的填空题，只需要了解冯.诺依曼体系结构，就可以正确地填写。答案为：运算器控制器存储器输入设备输出设备例2.14计算机软件总体上分为两大类，一类为 软件，另一类为 软件。CAI属于软件，而 Windows XP属于软件。【解】软件有很多类别。但总体划分总有两类，一类为系统软件，另一类为应用软件。系统软件包括操作系统、控制程序、程序设计语言和诊断程序等。系统软件是计算机系 统的组成部分，它使计算机系统的

44、功能更加完善。应用软件是面向用户的功能软件，专门为解决应用领域的具体任务而编写。如字处理软件、多媒体处理软件、计算机辅助软件等，还包括用户自行编制的软件。所以本题答案为：系统应用应用系统CAI为计算机辅助教学软件， 属于应用软件；Windows XP为操作系统，属于系统软件。例2.11能被计算机直接识别的语言是 。A .汇编语言B.机器语言C.高级语言D.应用语言【解】在计算机语言中，机器语言用二进制代码编写， 可被计算机直接识别。 其他3类语言都 是以助记符或类似人类的语言编写的， 用这些语言编写的程序， 需要通过解释或编译， 将其 变成机器语言才能够被计算机所识别。所以本题答案为B。例2.

45、12计算机系统中的存储器是指A . RAMB. ROMC.主存储器D.主存储器和辅助存储器【解】 系统中的存储器包括主存储器和辅助存储器。 主存储器一般采用半导体器件实现， 它位 于主板之上，通过系统总线与 CPU 连接，用于存放正在运行的程序和数据。主存储器的特 点是容量小、速度快、断电后数据将丢失。辅助存储器一般采用磁表面存储器或光存储器， 它位于机箱内部或机箱外部， 通过传输电缆与主机连接， 用于存放暂时不运行的程序和数据。 辅助存储器的特点是容量较大、速度慢、可永久性保存数据。所以答案为 D。本章附录：计算机硬件系统涉及的基本概念 【计算机】：代替人进行计算的工具。【电子计算机】：是一

46、种能够自动、高速、准确地进行倌息处理的现代化的电子设备。【硬件】 ：一个按照计算机规范要求构成的用以实现计算机软件编程意图的工具。由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成。【计算机系统】：由硬件和软件两部分组成的系统。 【运算器】：由算术逻辑单元( ALU )和寄存器组成的器件。【控制器】：用于控制计算机各个部件自动协调工作的器件。 【存储器】：用于存储程序和数据的器件，通常分为主存储器和辅助存储器。【读存储器】： 先给出数据地址和读信号，然后从存储器中读出数据， 数据读出时原存储内 容不变，这样的存储器，称为读存储器。【写存储器】 ：除了地址和写信号之外还要提供写数据，数据写入指定的

47、地址后将替换原来 存储的数据，这样的存储器，称为写存储器。【输入设备】 ：用于将人们所熟悉的信息形式转换为计算机能识別的信息形式的计算机设备。 【输出设备】：用于将计算机信息形式转换成人们所熟悉的信息形式的设备。【中央处理器】：运算器和控制器集成在一起形成的部件。 【系统总线】：不同功能的信号线的集合。【软件】 ：借助于计算机硬件来实现使用者意图的程序集合。 它分为系统软件和应用软件两 类。【虚拟机】：硬件机器级以外的所有机器层次。 【兼容系统】：可以运行同一个软件并得到相同结果的两个系统。【操作系统】：是一个控制其他程序运行和管理计算机各种资源、自动调度用户作业程序、 处理各种中断、 并为用

48、户提供操作界面的系统软件。 其主要功能有存储管理、 命令处理和设 备管理等。【程序设计语言】：是人机交互的语言，分为机器语言、汇编语言、高级语言和应用语言。 【电子数字计算机】：是一种能够自动、高速、精确地进行信息处理的现代化电子设备。【CPU】：即中央处理器(Ce ntral Processi ng Un it)，由运算器和控制器组成的器件。【ALU 】：即算术逻辑单元 (Arithmetic and Logic Unit,ALU) ，它是运算器中具体完成算术运 算和逻辑运算的部件。【源程序】：用程序设计语言编写且必须经过解释或编译后才能运行的程序。 【接口】：是主机与外部设备之间传送数据与

49、控制信息的通道。【总线】： 计算机中各功能单元之间传送信息的通道。总线也包括地址总线、数据总线和控 制总线。【主机】：由CPU、存储器和输入输出接口组成的计算机硬件系统的核心。【外围设备】：是指计算机硬件系统中除主机之外的所有设备，包括主机外设、 基本外设和扩展外设。【计算机语言】：是由各种助记符按一定规则组成的人与计算机交流信息时使用 的进言。 【机器语言】 ：是一种用二进制代码编制的、 能够被计算机硬件直接识别和执行的程序语言。 【单元地址】：是用二进制编码表示的对主存储器各存储单元统一的编号。【位】：是计算机传送的最小单位，一位可存放一个二进制信息0 或 1。【字节】：是计算机存储的最小

50、单元，一个字节包括 8 个二进制位。 【字长】：一次运算的二进制数的位数称为字长。它是计算机性能的重要指标。 【指令流】：在计算机工作过程中，在存储器与CPU 之间形成的不断传递的指令 序列。【数据流】：在计算机工作过程中，在存储器与CPU 之间形成的不断传递的数据 序列。【系统层次】：计算机系统存在的层次结构，一般可分为硬件系统、系统软件和应用软件 3 个层次。【主存储器】：计算机主机内部的存储器。【辅助存储器】： CPU 不能直接访问的主机外部的存储器。 【指令】：硬件和软件间的界面。【向后兼容】：在计算机产品系列中，后继产品与先前产品的兼容。 【向前兼容】：先前产品与后继产品的兼容。【向上兼容】：低档机器上的软件在高档机器上的运行。【系统软件】： 是整个计算机系统的一部分，为应用软件的开发和运行提供支持，为用户 操作计算机以及应用程序的运行提供的一个