计算机组成原理——计算机系统概述考研题

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。

3.CPU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:

5.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。

6.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

posted @ 2019-06-16 09:19  王陸  阅读(4576)  评论(0编辑  收藏  举报