計算機硬件系統(tǒng)概述第2章計算機硬件系統(tǒng)概述隨著科學的發(fā)展，計算機在我們的學習和工作中應用越來越廣泛，那是因為計算機有著運算速度快、記憶能力強和有邏輯判斷能力的優(yōu)點。要想知道為什么計算機能具有這些優(yōu)點，就要求我們了解計算機的基本構成和工作原理——在硬件系統(tǒng)實現數學運算和邏輯運算的基礎上，通過軟件程序的控制，實現各種復雜的運算和控制功能，了解計算機進行數據處理的基本過程，掌握與計算機構成有關的各種概念及其中所含的意義。本章就以基本概念、基本理論、典型例題和習題解答的形式來復習計算機的工作原理及其硬件和軟件系統(tǒng)，并為后面章節(jié)的學習打下牢固的基礎。2.1基礎知識2.1.1計算機的發(fā)展世界上第一臺電子數字計算機是1946年2月問世的ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndComputer）。自1946年第一臺電子數字計算機問世以來，根據計算機使用的電子元器件的更新階段，電子數字計算機的發(fā)展已經歷了4代。（1）第一代計算機（1946?1957年）——電子管時代。主要特點：以電子管作為開關元件：使用機器語言；可以存儲信息；運行速度慢。（2）第二代計算機（1958?1964年）——晶體管時代。主要特點：以晶體管代替電子管：采用磁心存儲器；用匯編語言取代機器語言。（3）第三代計算機（1965?1971年）——中小規(guī)模集成電路時代。主要特點：以集成電路取代晶體管；采用半導體存儲器；使用了操作系統(tǒng)等。（4）第四代計算機（1972年?現在）——超大規(guī)模集成電路時代。主要特點：采用集成度很高的電路。隨著大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，微型計算機的發(fā)展又可劃分為以下幾代：采用Intel8088處理器的微型計算機IBMPC和IBMPC/XT為第一代微型計算機；采用Intel80286處理器的微型計算機IBMPC/AT為第二代微型計算機（簡稱286機)；采用Intel80386處理器的微型計算機為第三代微型計算機（簡稱386機）；釆用Intel80486處理器的微型計算機為第四代微型計算機（簡稱486機）；采用Pentium處理器的微型計算機為第五代微型計算機。2.1.2計算機的特點及應用1.計算機的特點計算機的特點如下：（1）快速性電子計算機采用了高速電子器件，這是快速處理信息的物質基礎：另外，存儲程序技術也使電子器件的快速性得到充分發(fā)揮。（2）通用性計算機處理的信息不僅可以是數值數據，也可以是非數值教據。另外，軟件越豐富，計算的通用性越強。（3）準確性計算機運行的準確性也包括兩方面含義：計算精度高。計算精度取決于運算中數的位數，位數越多越精確；計算方法科學。計算方法由程序體現，一個算法正確且優(yōu)質的程序，再加上高位數的計算功能，才能確保計算結果的準確性。計算機硬件系統(tǒng)概述全文共1頁，當前為第1頁。（4）邏輯性計算機硬件系統(tǒng)概述全文共1頁，當前為第1頁。邏輯判斷與邏輯運算是計算機的基本功能之一。通過執(zhí)行能體現邏輯判斷和邏輯運算的程序，使整個系統(tǒng)具有邏輯性。2.計算機的應用計算機的應用體現在科學技術計算、數據信息處理、計算機控制、計算機輔助技術和家庭電腦化上。其中，計算機輔助技術包含計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）、計算機輔助測試(CAT)和計算機輔助教學（CAI）等。2.1.3電子計算機從總體上來說可以分為兩大類：電子模擬計算機和電子數字計算機。計算機按用途可分為專用計算機和通用計算機。通用計算機又可分為巨型機、大型機、中型機、小型機、圖形工作站、微型機和單片機7類。計算機的發(fā)展方向：巨型化；微型化；網絡化；智能化；多媒體化；2.1.4計算機系統(tǒng)的組一臺完整的計算機系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。計算機系統(tǒng)的組成結構如圖2.1所示。硬件系統(tǒng)硬件系統(tǒng)外設主機中央處理器存儲器內存儲器外存儲器運算器控制器寄存器軟盤磁帶機硬盤光盤ROM(只讀)RAM（隨機）PROMEPROME2PROMROMSRAMDRAM數據庫管理系統(tǒng)輸入設備輸出設備鍵盤鼠標掃描儀顯示器打印機器儀繪圖儀軟件系統(tǒng)系統(tǒng)軟件應用軟件操作系統(tǒng)語言處理程序服務性程序計算機網絡軟件信息管理軟件輔助設計軟件文字處理軟件各種程序包計算機系統(tǒng)計算機硬件系統(tǒng)概述全文共2頁，當前為第2頁。圖計算機硬件系統(tǒng)概述全文共2頁，當前為第2頁。圖2.1計算機系統(tǒng)的組成結構計算機硬件系統(tǒng)概述2.1.5計算機系統(tǒng)的層次結構現代計算機是一個十分復雜的硬、軟件結合而成的整體。它通常由5個以上不同的級組成，每一級都能進行程序設計，如圖2.2所示。第1級是微程序設計級。這是一個實在的硬件級，它由機器硬件直接執(zhí)行微指令。第2級是一般機器級，也稱為機器語言級，它由微程序解釋機器指令系統(tǒng)，這一級也是硬件級。第3級是操作系統(tǒng)級，它由操作系統(tǒng)程序實現。第4級是匯編語言級，它給程序人員提供一種符號形式語言，以減少程序編寫的復雜性。這一級由匯編程序支持和執(zhí)行。第5級是高級語言級，這級是面向用戶的，為方便用戶編寫應用程序而設置。高級語言級高級語言級匯編語言級操作系統(tǒng)級一般機器級微程序設計級應用軟件系統(tǒng)軟件硬件系統(tǒng)5級4級3級2級1級圖圖2.2計算機系統(tǒng)的層次結構示意圖在如圖2.2所示的多級結構中，將除硬件系統(tǒng)(第1層和第2層)之外的上面3個層次稱為虛擬計算機。所謂虛擬計算機是指這個計算機只對該級的觀察者存在。對某一層次的觀察者來說，他只能是通過該層次的語言來了解和使用計算機，至于下層是如何工作和實現的就不必關心了。簡而言之，虛擬計算機即是由軟件實現的機器。計算機系統(tǒng)各層次之間的關系緊密，上層是下層功能的擴展，下層是上層的基礎。另外，層次劃分也不是絕對的。2.1.6計算機的硬件是指計算機中的電子線路和物理裝置。（1）存儲程序的概念存儲程序的概念簡要地概括為以下幾點：計算機（指硬件）由運算器、存儲器、控制器、輸入設備和輸出設備5大基本部件組成；計算機內部采用二進制來表示指令和數據；計算機硬件系統(tǒng)概述全文共3頁，當前為第3頁。將編好的程序和原始數據事先存入存儲器中，然后再由計算機自動執(zhí)行，使計算機在不需要人工干預的情況下，自動、告訴地從存儲器中取出指令加以執(zhí)行，這就是存儲程序的基本含義。計算機硬件系統(tǒng)概述全文共3頁，當前為第3頁。（2）計算機的硬件組成前面介紹的四代計算機都是建立在存儲程序概念的基礎上的，按照這個基本原理建立起來的計算機統(tǒng)稱為馮·諾依曼結構型計算機。它具有共同的棊本配置，即5大部件：存儲器、運算器、控制器、輸入設備和輸出設備。在現代計算機中，將運算器、控制器及緩存（Cache）合在一起，稱為中央處理器（CPU），而將CPU、存儲器、輸入輸出接口和系統(tǒng)總線組裝在一個機殼內，稱為主機。輸入設備和輸出設備統(tǒng)稱輸入輸出設備，有時也稱外部設備。計算機硬件系統(tǒng)基本組成框圖如圖2.3所示。控制器控制器存儲器器CPU運算器主機接口接口輸入設備輸出設備圖2.3計算機硬件系統(tǒng)的基本組成框圖存儲器存儲器的主要功能是存放程序和數據。運算器運算器是對信息進行處理和運算的部件。運算器一次運算二進制的位置，稱為字長。寄存器、累加器及存儲單元的長度應與ALU（算術邏輯運算部件）的字長相等或者是它的整數倍?？刂破骺刂破魇侨珯C的指揮中心，它使計算機各部件自動協(xié)調地工作。計算機中有兩種信息在流動：一種是控制信息，即操作指令，其發(fā)源地是控制器，它分散流向各個部件；一種是數據信息，它受控制信息的控制，從一個部件流向另一個部件，邊流動邊加工處理。指令和數據統(tǒng)統(tǒng)放在內存中。一般來講，在取指周期從內存讀出的信息流是指令流，它流向控制器，由控制器解釋從而發(fā)出一系列微操作信號：而在執(zhí)行周期從內存讀出成送入內存的信息流是數據流，它由內存流向運算器，或者由運算器流向內存。④輸入設備輸入設備是將人們熟悉的信息形式變換成計算機能接收并識別的信息形式的設備。⑤輸出設備輸出設備是將計算機運算結果的二進制信息轉換成人類或其他設備能接收和識別的形式的設備。外存儲器也是計算機中重要的外部設備，它既可以作為輸入設備，也可以作為輸出設備。2.1.7—臺計算機中全部程序的集合，稱為這臺計算機的軟件系統(tǒng)。計算機硬件系統(tǒng)概述全文共4頁，當前為第4頁。1．軟件系統(tǒng)的分類計算機硬件系統(tǒng)概述全文共4頁，當前為第4頁。軟件按其功能分，有成用軟件和系統(tǒng)軟件兩大類。應用軟件是用戶為解決某種應用問題而編制的一些程序；系統(tǒng)軟件用于實現計算機系統(tǒng)的管理、調度、監(jiān)視和服務等功能，其目的是方便用戶，提高計算機使用效率，擴充系統(tǒng)的功能。通常將系統(tǒng)軟件分為以下6類。(1)操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)是控制和管理計算機各種資源、自動調度用戶作業(yè)程序、處理各種中斷的軟件。其作用是控制和管理系統(tǒng)資源，它是用戶與計算機的接口。(2)語言處理程序程序設計語言一般可分為3類：機器語言、匯編語言和高級語言。用二進制代碼表示的計算機語言稱為機器語言，用機器語言編寫的程序可以直接執(zhí)行：用助記符表示的語言稱為匯編語言，用匯編語言編寫的程序需要通過匯編程序翻譯成目標程序后才可執(zhí)行；用高級語言編寫的程序稱為源程序。不同語言的源程序，對應有不同的語言處理程序。語言處理方式有匯編程序、編譯程序、解釋程序3種。匯編程序的功能是把用匯編語言編寫的源程序翻譯成二進制代碼的目標程序，其翻譯過程稱為匯編。高級語言的處理程序，按其翻譯方法的不同，可分為解釋程序與編譯程序兩大類。解釋程序對源程序的翻譯采用邊解釋、邊執(zhí)行的方法，并不生成目標程序；而編譯程序必須先將源程序翻譯成目標程序后，才能開始執(zhí)行。(3)標準庫程序通常將一些常用的程序段按照標準的格式先編制好，組成一個標準程序庫，存入計算機系統(tǒng)中，需要時由用戶選擇合適的程序段嵌入自己的程序中。(4)服務性程序服務性程序（也稱工具軟件）擴展了機器的功能，一般包括診斷程序、調試程序等功能。(5)數據庫管理系統(tǒng)數據庫和數據庫管理軟件一起，組成數據庫管理系統(tǒng)。(6)計算機網絡軟件計算機網絡軟件是為計算機網絡配置的系統(tǒng)軟件。它負責對網絡資源進行組織和管理，實現相互之間的通信。2.軟件與硬件的關系軟件系統(tǒng)是在硬件系統(tǒng)的基礎上，為有效地使用計算機而配置的。沒有系統(tǒng)軟件，現代計算機系統(tǒng)就無法正常地、有效地運行；沒有應用軟件，計算機就不能發(fā)揮效能。任何操作可以由軟件來實現，也可以由硬件來實現；任何指令的執(zhí)行可以由硬件完成，同樣也可以由軟件來完成。計算機系統(tǒng)的軟件與硬件可以互相轉化，它們之間互為補充。將程序固定在ROM中組成的部件成為固件。固件是一種具有軟件特性的硬件，它既具有硬件的快速性特點，又有軟件的靈活性特點。這是軟件和硬件互相轉化的典型實例。2.1.在計算機的各個基本部件中，通常把運算器和控制器合在一起稱為中央處理器（CPU),還把CPU、存儲器和輸入輸出接口電路合在一起構成的處理系統(tǒng)稱為主機。外圍設備一般包含一些難以與主機集成的機械部件，所以它們常常與主機分離。這種計算機結構是著名計算機科學家馮?諾依曼等人在早期計算機設計中采用的結構，而且在后來的計算機中不斷沿用，被稱為馮?諾依曼結構。計算機硬件系統(tǒng)概述全文共5頁，當前為第5頁。通常情況下它有如下主要特點：采用5個基本部件，采用二進制的數據表示方式，采用存儲程序的工作方式，程序中的各條指令按順序串行地執(zhí)行。存儲程序方式是指計算機完成指定功能之前，先將實現該功能的程序（即軟件)裝入內存，然后根據程序的規(guī)定一步一步地完成操作。計算機中存儲的程序和數據都是二進制形式的代碼。計算機硬件系統(tǒng)概述全文共5頁，當前為第5頁。2.1.9運算器是完成運算功能的部件，主要包括算術邏輯單元和寄存器。其功能如下:(1)算術邏輯單元：一個組合數字電路，一般有兩個數據信號輸入端和一個數據信號輸出端，可同時輸入兩個參加運算的操作數。算術邏輯單元能執(zhí)行各種數據運算操作，包括算術運算和邏輯運算。算術運算：對二進制表示的數據進行算術計算，如加減乘除四則運算。邏輯運算：主要是一些布爾運算和移位運算，布爾運算按位對數據進行運算。按位運算：同時對數據的各個二進制位進行相同的與、或、非運算，運算數據的每一個位是相互無關的，沒有進位或者借位的操作。移位運算：按一定的規(guī)律移動數據的位，改變數據的二進制位的位置。（2）寄存器：為了保存運算中所需要的數據，在運算器中一般都有一些臨時存放數據的寄存器。寄存器由若干個觸發(fā)器構成,一個寄存器可存故一個宇的數據。2.存儲器是存儲程序和數據的部件，包括主存儲器和輔助存儲器。(1)主存儲器：計算機主機內部的存儲器，可以被CPU直接訪問，用于存放運行的程序和數據。（2）輔助存儲器：主機外部的存儲器，CPU不能直接訪問。當CPU需要訪問存放在外存中的數據或者程序時，需要通過輸入輸出部件先將程序和數據傳輸到內存中。為了確定存儲器中的某個存儲位置，需要給每個存儲單元指定一個地址。一般用一個二進制編碼表示每個存儲單元的地扯。地址可分為字地址和字節(jié)地址兩種。如果一個字等于4個字節(jié)，那么每個字單元包含4個字節(jié)的存儲單元，將字地址乘以4就得到這個字的宇節(jié)地址。存儲器的操作有兩種：寫操作：將數據放入某個存儲單元中，稱為寫操作。讀操作：將存儲單元中的數據取出，稱為讀操作。讀操作和寫操作統(tǒng)稱為對存儲器的訪問。2.1.11計算機硬件系統(tǒng)研究的內容如下：(1)計算機實現研究計算機的物理設計，包括器件的設計與選擇、各模塊的機械參數設計、印刷電路板的設計與制作、機箱物理特性的設計和選擇，以及組裝技術的設計和選擇，還有電源、冷卻方式的設計和選擇等。⑵計算機組成從邏輯角度研究計算機系統(tǒng)中各個組成部分的構成方法，包括數據通路的構成、存儲系統(tǒng)的設計、運算功能部件的設計、控制器的控制方式以及輸入輸出接口的設計等。(3)計算機系統(tǒng)結構計算機硬件系統(tǒng)概述全文共6頁，當前為第6頁。對程序員所能看到的計算機的基本屬性進行研究，研究計算概念性結和功能特性。這些特性構成計算機系統(tǒng)的外特性。計算機外特性包括計算機的指令系統(tǒng)、數據表示、尋址方式、寄存器定義、中斷機構，以及輸入輸出系統(tǒng)和保護機制等的定義。此外，系統(tǒng)結構還研究計算機軟硬件界面的設計，新型計算機系統(tǒng)的設計和計算機系統(tǒng)的性能、成本和可靠性的分析及評價。計算機硬件系統(tǒng)概述全文共6頁，當前為第6頁。2.1.12馮?諾依曼結構計算機的主要特性有以下幾點：指令和數據都以字的方式存放在同一存儲器中，然后才能運行，從數據和指令本身看不出相互間的區(qū)別，程序需要對指令和數據加以區(qū)別。指令按順序串行地執(zhí)行，并由控制器集中控制，采用一個PC計數器構成指令在存儲器中的地址。存儲器是一個一維的空間，二維或者多維的數據要映射到這個一維的存儲空間。使用低級及其語言，指令和數據以二進制形式表示。單CPU結構，以運算器為中心，采用單指令流單數據流模式。2.1.13影響計算機系統(tǒng)結構的因素有程序設計語言、軟件、應用需求、部件。程序設計語言不同的程序書籍語言代表著不同的計算模型，不同的計算模型需要不同機構的計算機系統(tǒng)來支持。軟件需求不同的編譯程序產生不同特征的程序結構和數據結構，不同的操作系統(tǒng)采用不同的策略記性系統(tǒng)管理，這些都需要系統(tǒng)結構提供相應的支持。同時，系統(tǒng)結構的設計也需要系統(tǒng)軟件提供相應的配合，如編譯優(yōu)化等。應用需求不同的應用需求也對不同的系統(tǒng)結構產生影響，適合于應用需求的計算機系統(tǒng)必將得到廣泛的應用。器件器件的發(fā)展使得硬件的成本不斷降低，從而影響硬件界面的劃分，同時器件發(fā)展速度之間的不平衡性也導致了系統(tǒng)結構的變化。如CPU何存儲器速度之間的差異導致了高速緩存（Cache）的出現。此外，器件的發(fā)展還影響到計算機系統(tǒng)的開發(fā)手段。2.計算機性能評價的方法有分析、模擬和測試3種：分析的方法采用數學模型，通常采用概率論、排隊論和隨機過程等數學方法進行分析。分析結果的精度比較低。模擬的方法用軟件建立系統(tǒng)的邏輯模型，并對該模型的行為進行研究，模擬結果的精度可以較高，但建立和驗證模擬模型一般需要較長的時間。測試的方法用工作負載對計算機的性能進行實際衡量。測試過程在實際計算機系統(tǒng)或者物理模型機中進行，可得到跟實際的運算性能，但它只能在計算機建成之后進行，而且測試結果與選擇的工作負載無關。計算機硬件系統(tǒng)概述全文共7頁，當前為第7頁。2.1.1計算機硬件系統(tǒng)概述全文共7頁，當前為第7頁。程序在CPU上運行所需的時間TCPU為：其中IN表示要執(zhí)行程序中的指令總數，CPI表示執(zhí)行每條指令所需的平均時鐘周期數，而TC則表示時鐘周期的時間長度。CPI是各種指令CPI的加權平均，可由下式表示：其中Ii表示第i類指令在程序中執(zhí)行的次數，而CPIi表示執(zhí)行一條第i類指令所需的平均時鐘周期數，n為程序中所有的指令種類數，RC為TC的倒數。MIPS指標上式假定TE=TCPU,即計算機的指令時間就是CPU的執(zhí)行時間。RC為TC的倒數，上式還反映了MIPS值與CPI的關系。(2)MFLOPS指標其中IFN指程序中浮點運算的數量。由于程序中浮點運算所占的比例各不相同，MFLOPS值也會不同，所以MFLOPS指標與程序中浮點操作的數量有關。由于各種浮點運算的復雜性不同，為了公正地評價浮點運算性能，通常對程序中每種實際浮點操作乘以一個正則化值，然后再求MFLOPS值。2.對于計算機性能的好壞，主要由以下幾個方面來衡量：計算機系統(tǒng)性能的衡量尺度是響應時間和吞吐率①響應時間從用戶向計算機系統(tǒng)發(fā)送一個請求后，到系統(tǒng)對該請求做出相應并獲得它所需要的結果的等待時間成為響應時間。其中包括訪問磁盤和訪問主存儲器時間、CPU運算時間，輸入輸出動作時間以及操作系統(tǒng)工作的時間開銷等。②吞吐率吞吐率是指系統(tǒng)響應用戶請求的速率。對于CPU，吞吐率可表示為每秒鐘可執(zhí)行的指令數，或每秒執(zhí)行的浮點操作次數。計算機的性能評價有峰值性能和持續(xù)性能兩個指標①峰值性能此指標反映出在理想情況下計算機可獲得的最高性能。實際上由于程序運行時的資源沖突等因素使得計算機不能充分發(fā)揮其最大的計算能力。②持續(xù)性能此指標是實際性能指標。它是計算機運行程序時能測量到的性能。事務處理計算機硬件系統(tǒng)概述全文共8頁，當前為第8頁。它是指計算機在商業(yè)、金融、證券、貿易等應用場合的處理方式。一般運行大型數據庫，進行大量運算簡單的事務處理。計算機系統(tǒng)的事務處理性能指標是每秒處理的事務數（TPS）。計算機硬件系統(tǒng)概述全文共8頁，當前為第8頁。2.1用于測試計算機性能的方法如下：用于測試計算機性能的工作負載類型有指令混合、核心程序、合成程序和應用測試程序指令混合將各種指令按其使用頻率混合而成。核心程序從實際應用程序中提取出的運行時間最長的核心部分，代表應用程序中的常用操作。合成程序人為合成的對計算機系統(tǒng)的各方面性能進行測試的程序，用參數反映實際應用程序特征，設置不同的參數可以構成具有不同特征的測試程序。應用測試程序從實際應用的程序中選取的典型程序?；鶞蕼y試程序標準化的性能測試程序，通常由一組核心程序、合成程序和應用測試程序構成，如SPEC制定的SPEC95。其中每個程序代表不同的應用程序特征。用基準測試程序中的這些程序進行運行測試可得到一組測試數據，對這些數據進行統(tǒng)計的方法有算術平均、幾何平均和調和平均3種求平均值的方法。算術平均值Am幾何平均值Gm調和平均值Hm加權的算術平均值Am加權的幾何平均值Gm加權的調和平均值Hm上述加權平均值表達式中QUOTEQUOTEi=1nwi=1。不同的基準測試程序采用不同的統(tǒng)計方法，如SPEC采用調和平均，iCOMP采用幾何平均等。計算機硬件系統(tǒng)概述全文共9頁，當前為第9頁。2.1.計算機硬件系統(tǒng)概述全文共9頁，當前為第9頁。計算機的主要性能指標有以下幾項：基本字長基本字長是指參與運算的數的基本位數，它是由加法器、寄存器、數據總線的位數決定的。字長標志著精度，字長越長，計算的精度越高。數據通路寬度數據總線一次所能并行傳送的位數，稱為數據通路寬度。主存容量一個主存儲器所能存儲的全部信息稱為主存容量。運算速度它是用每秒能執(zhí)行的指令條數來表示，單位是條數/秒。MIPS表示每秒百萬條指令。主頻率在每臺計算機內部，均有一個不斷地產生固定頻率的時鐘脈沖的裝置，稱為主時鐘。主時鐘的頻率通常就是機器的主頻率，主頻率是衡量一臺計算機速度的重要參數。典型例題例2.1表2-1列出了用兩個基準測試程序對3臺計算機進行測試所得到的運行速度值。（1）以計算機X為參考機，用算術平均和幾何平均比較這3臺計算機的相對性能。（2）以計算機Y為參考機，用算術平均和幾何平均比較這3臺計算機的相對性能。表表2-1用兩個基準測試程序對3臺計算機進行測試所獲得的運行速度值基準測試程序計算機X計算機Y計算機ZB1201040B2408020【解】（1）由表2-1可見，對基準測試程序B1，Y機的速度為X機的一半，但對基準測試程序B2，Y機速度為X機的一倍。類似的，對B1，Z機速度為X機的一倍，對B2，Z機的速度則為X機的一半。如果將這些測試值以X機為基準進行折算，就得到如表2-2所示的相對性能值。從表2-2課件，根據算術平均值Am,Y機和Z機速度均比X機要快25%；而根據幾何平均值，3臺計算機的性能一樣。表表2-2以X機為基準進行折算得到的相對性能值基準測試程序計算機X計算機Y計算機ZB11.000.502.00B21.002.000.50Am1.001.251.25Gm1.001.001.00（2）如果以Y機作為標準來計算相對性能值，將得到如表2-3所示的結果值。由該結果值可知，根據算術平均值Am，現在X機速度比Y機快25%，Z機似乎更快；而根據幾何平均值，3臺計算機的性能仍然一樣。顯然，選用不同的參考計算機，將會得到不同的Am值。計算機硬件系統(tǒng)概述全文共10頁，當前為第10頁。計算機硬件系統(tǒng)概述全文共10頁，當前為第10頁。表表2-3以Y機為標準來計算相對性能值所得到的結果基準測試程序計算機X計算機Y計算機ZB12.001.004.00B20.501.000.25Am1.251.002.13Gm1.001.001.00例2.2用一臺40MHz的處理機執(zhí)行標準測試程序，它所包含的混合指令數和相應所需的時鐘周期如表2-4所示。求有效CPI，MIPS速率和程序的執(zhí)行時間。表表2-4包含的混合指令數和響應所需的時鐘周期指令類型CPI指令混合比算術和邏輯160%高速緩存命中的訪存218%轉移412%高速緩存失效的訪存810%【解】CPI的計算采用加權平均的方法，權重就是每種指令出現的概率，即指令混合比。有效CPI=1×60%+2×18%+4×12%+8×10%=2.24MIPS速率=40/2.24=17.9TCPU=IN×CPI×Tc=IN×CPI/Rc=IN×2.24/(40×106)=5.6×10-10×IN(秒)例2.3用一臺40MHz處理機執(zhí)行標準測試程序，它所包含的混合指令數和相應所需的時鐘周期數如表2-5所示。求有效CPI，MIPS速率和程序的執(zhí)行時間。表表2-5包含的混合指令數和響應所需的時鐘周期指令類型指令數時鐘周期數整數運算450001數據傳送320002浮點運算150002控制傳送80002【解】上述指令總數為45000+32000+15000+8000=100000條，4種指令的使用比例分別為45%、32%、15%和8%。有效CPI=1×45%+2×32%+2×15%+2×8%=1.55MIPS速率=40/1.55=25.8程序的執(zhí)行時間=1000001×1.55/(40×106)=3.875×10-3（秒）計算機硬件系統(tǒng)概述全文共11頁，當前為第11頁。例2.4某工作站采用時鐘頻率為15MHz、處理速率為10MIPS的處理機來執(zhí)行一個已知混合程序。假定每次存儲器存取周期為1的延遲，試問：計算機硬件系統(tǒng)概述全文共11頁，當前為第11頁。（1）此計算機的有效CPI是多少？（2）假定將處理機的時鐘提高到30MHz，但存儲子系統(tǒng)速率不變。這樣，每次存儲存取需要2個周期。如果30%的指令中每條只需1次存儲器存取，而另外的5%的每條需2次存儲器存取，還假定一直混合程序的指令數不變，并與原工作站兼容，試求改進后的處理機性能。【解】（1）計算機的CPI值可以從它的MIPS值和時鐘頻率計算得到：CPI=15×106/(10×106)=1.5（2）在指令執(zhí)行中，每次訪存需要增加1個時鐘周期，這樣程序執(zhí)行的CPI為：CPI=1.5+0.30×(2-1)+0.05×2×(2-1)=1.9根據MIPS計算公式，可得：MIPS值=Rc/(CPI×106)=30×106/(1.9×106)=15.79例2.5某臺計算機只有Load/Store指令能對存儲器進行讀/寫操作，其他指令只對寄存器進行操作。根據程序跟蹤實驗的結果，已知每種指令所占的比例及CPI數如表2-6所示。（1）求表中所列情況下的平均CPI。（2）假設程序由M條指令組成。在算術邏輯運算中，25%的指令兩個操作數中的一個已在寄存器中，另一個必須在算術邏輯指令執(zhí)行前用Load指令從存儲器中取到寄存器中。因此有人建議增加另一種算術邏輯指令，其特點是一個操作數取自寄存器，另一個操作數取自存儲器，即寄存器-存儲器類型，假設這種指令的CPI等于2，同時，轉移指令的CPI變?yōu)?。求新指令系統(tǒng)的平均CPI。表表2-6每種指令所占的比例及CPI數指令類型指令所占比例/%CPI算術邏輯指令431Load指令212Store指令122轉移指令242【解】（1）平均CPI為：CPI=43%×1+21%×2+12%×2+24%×2=1.57（2）采用新的指令系統(tǒng)后，指令的使用頻率將發(fā)生變化。在原來的指令中：在算術邏輯指令中有75%不需要配備訪存指令，占43%×75%=33.25%；在算術邏輯指令中有25%需要配備訪存指令，占43%×25%=10.75%；Load指令除去為算術邏輯指令配備以外的有21%-43%×25%=10.25%；Store指令的數量占12%，轉移指令占24%。在新的指令系統(tǒng)中，Load指令的個數將減少，總指令數減為原來總數的1-10.75%=89.25%。新的指令出現比例為：原有算術邏輯指令為：32.25%/89.25%=36.13%，CPI為1；新增算術邏輯指令為：10.75%/89.25%=12.04%，CPI為2；Load指令為：10.25%/89.25%=11.48%，CPI為2；Store指令為：12%/89.25%=13.45%，CPI為2；計算機硬件系統(tǒng)概述全文共12頁，當前為第12頁。轉移指令為：24%/89.25%=26.89%，CPI為3.計算機硬件系統(tǒng)概述全文共12頁，當前為第12頁。這樣，新的CPI為：CPI=36.13%×1+(12.04%+11.48%+13.45)×2+26.89%×3=1.908結果表明，改動方案使得CPI值增加，CPU性能下降，所以這種方案不合適。例2.6假定某計算機有以下測試結果：浮點操作指令使用頻率為25%；浮點指令平均CPI為4.0；其他指令的平均CPI為1.33；浮點平方根指令的使用頻率為1%；浮點平方根指令的CPI為20。假定有兩種減少CPI的措施可供選擇，一種是講浮點平方根指令的CPI將為2，另一種是將所有浮點指令的平均CPI將為3。比較這兩種設計方案?！窘狻吭瓉淼钠骄鵆PI為：(4×25%)+(1.33×75%)=2.0提高浮點平方根指令的速度后，平均CPI為：2.0-1%×(20-2)=1.82提高浮點平方根指令的速度后的加速比為：2.00/1.82=1.10提高浮點指令的速度后，平均CPI為：(3×25%)+(1.33×75%)=1.75提高浮點指令的速度后的加速比為：2.00/1.75=1.14可見，第二種方案較好。例2.7馮.諾依曼計算機體系結構的基本思想是什么？按此思想設計的計算機硬件系統(tǒng)應由哪些部件組成？各起什么作用？【解】本題考查的是存儲程序的概念、計算機硬件系統(tǒng)的組成。馮.諾依曼計算機體系的基本思想是：存儲程序，即將用指令序列描述的解題的程序與原始數據一起，存儲到計算機中。計算機只要一啟動，就能自動地一次取出一條條指令并執(zhí)行，直至程序執(zhí)行完畢，得到計算結果為止。按此思想設計的計算機硬件系統(tǒng)包含：運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備5個基本部件。運算部件的作用是用來進行數據變換和各種運算；控制部件則在計算機提供統(tǒng)一的時鐘情況下，把程序中的各基本操作進行時序分配，并發(fā)出相應的控制信號，驅動計算機的各部件按節(jié)拍有序地完成程序規(guī)定的操作內容；存儲器用來存放程序、數據及運算結果；輸入輸出設備的主要作用是接受用戶提供的外部信息或用來向用戶提供輸出信息。例2.8什么是計算機？簡要敘述其外部特征?！窘狻勘绢}考查的是計算機的定義、計算機的特征。數字電子計算機是一種能自動地、高速地對各種數字化信息進行運算處理的電子設備。其外部特征有：計算機硬件系統(tǒng)概述全文共13頁，當前為第13頁?？焖傩?。電子計算機采用了高速電子器件，這是快速處理信息的物質基礎；另外，電子計算機采用了存儲程序的設計思想。計算機硬件系統(tǒng)概述全文共13頁，當前為第13頁。通用性。即計算機處理的信息不僅可以是數值數據，也可以是非數值數據。準確性。計算機運行的準確性包括兩方面含義：一是計算精度高；二是計算方法科學。計算精度取決于運算中數的位數，位數越多越精確。計算方法由程序體現邏輯性。邏輯判斷與邏輯運算是計算機的基本功能之一。例2.9按照馮.諾依曼原理，現代計算機應具備哪些功能？【解】按照馮.諾依曼提出的原理，計算機必須具有如下功能：輸入輸出功能。計算機必須有能力把原始數據和解題步驟接收下來(輸入)，并把計算結果與計算過程中出現的情況告訴(輸出)給使用者。記憶功能。計算機應能夠“記住”原始數據和解題步驟以及解題過程中的一些中間結果。計算功能。計算機應能完成人們所需要的計算。判斷功能。計算機在進行一步操作之后，應當能從預先無法確定的幾種方案中選擇一種操作方案。自我控制能力。計算機應能保證程序執(zhí)行的正確性和各部件之間的協(xié)調性。例2.10計算機硬件由5個基本部分組成，包括、、、和?！窘狻吭擃}為比較簡單的填空題，只需要了解馮.諾依曼體系結構，就可以正確地填寫。答案為：運算器控制器存儲器輸入設備輸出設備例2.14計算機軟件總體上分為兩大類，一類為軟件，另一類為軟件。CAI屬于軟件，而WindowsXP屬于軟件?！窘狻寇浖泻芏囝悇e。但總體劃分總有兩類，一類為系統(tǒng)軟件，另一類為應用軟件。系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)、控制程序、程序設計語言和診斷程序等。系統(tǒng)軟件是計算機系統(tǒng)的組成部分，它使計算機系統(tǒng)的功能更加完善。應用軟件是面向用戶的功能軟件，專門為解決應用領域的具體任務而編寫。如字處理軟件、多媒體處理軟件、計算機輔助軟件等，還包括用戶自行編制的軟件。所以本題答案為：系統(tǒng)應用應用系統(tǒng)CAI為計算機輔助教學軟件，屬于應用軟件；WindowsXP為操作系統(tǒng)，屬于系統(tǒng)軟件。例2.11能被計算機直接識別的語言是。A．匯編語言B.機器語言C．高級語言D.應用語言【解】在計算機語言中，機器語言用二進制代碼編寫，可被計算機直接識別。其他3類語言都是以助記符或類似人類的語言編寫的，用這些語言編寫的程序，需要通過解釋或編譯，將其變成機器語言才能夠被計算機所識別。所以本題答案為B。例2.12計算機系統(tǒng)中的存儲器是指。計算機硬件系統(tǒng)概述全文共14頁，當前為第14頁。A．RAMB.ROM計算機硬件系統(tǒng)概述全文共14頁，當前為第14頁。C．主存儲器D.主存儲器和輔助存儲器【解】系統(tǒng)中的存儲器包括主存儲器和輔助存儲器。主存儲器一般采用半導體器件實現，它位于主板之上，通過系統(tǒng)總線與CPU連接，用于存放正在運行的程序和數據。主存儲器的特點是容量小、速度快、斷電后數據將丟失。輔助存儲器一般采用磁表面存儲器或光存儲器，它位于機箱內部或機箱外部，通過傳輸電纜與主機連接，用于存放暫時不運行的程序和數據。輔助存儲器的特點是容量較大、速度慢、可永久性保存數據。所以答案為D。本章附錄：計算機硬件系統(tǒng)涉及的基本概念【計算機】：代替人進行計算的工具?！倦娮佑嬎銠C】：是一種能夠自動、高速、準確地進行倌息處理的現代化的電子設備?！居布浚阂粋€按照計算機規(guī)范要求構成的用以實現計算機軟件編程意圖的工具。由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備組成?！居嬎銠C系統(tǒng)】：由硬件和軟件兩部分組成的系統(tǒng)?！具\算器】：由算術邏輯單元（ALU）和寄存器組成的器件。【控制器】：用于控制計算機各個部件自動協(xié)調工作的器件。【存儲器】：用于存儲程序和數據的器件，通常分為主存儲器和輔助存儲器?！咀x存儲器】：先給出數據地址和讀信號，然后從存儲器中讀出數據，數據讀出時原存儲內容不變，這樣的存儲器，稱為讀存儲器?！緦懘鎯ζ鳌浚撼说刂泛蛯懶盘栔膺€要提供寫數據，數據寫入指定的地址后將替換原來存儲的數據，這樣的存儲器，稱為寫存儲器?！据斎朐O備】：用于將人們所熟悉的信息形式轉換為計算機能識別的信息形式的計算機設備?！据敵鲈O備】：用于將計算機信息形式轉換成人們所熟悉的信息形式的設備?！局醒胩幚砥鳌浚哼\算器和控制器集成在一起形成的部件?！鞠到y(tǒng)總線】：不同功能的信號線的集合。【軟件】：借助于計算機硬件來實現使用者意圖的程序集合。它分為系統(tǒng)軟件和應用軟件兩類?！咎摂M機】：硬件機器級以外的所有機器層次?！炯嫒菹到y(tǒng)】：可以運行同一個軟件并得到相同結果的兩個系統(tǒng)?！静僮飨到y(tǒng)】：是一個控制其他程序運行和管理計算機各種資源、自動調度用戶作業(yè)程序、處理各種中斷、并為用戶提供操作界面的系統(tǒng)軟件。其主要功能有存儲管理、命令處理和設備管理等?！境绦蛟O計語言】：是人機交互的語言，分為機器語言、匯編語言、高級語言和應用語言?！倦娮訑底钟嬎銠C】：是一種能夠自動、高速、精確地進行信息處理的現代化電子設備。【CPU】：即中央處理器(CentralProcessingUnit)，由運算器和控制器組成的器件?！続LU】：即算術邏輯單元(ArithmeticandLogicUnit,ALU)，它是運算器中具體完成算術運算和邏輯運算的部件?！驹闯绦颉浚河贸绦蛟O計語言編寫且必須經過解釋或編譯后才能運行的程序?！窘涌凇浚菏侵鳈C與外部設備之間傳送數據與控制信息的通道?！究偩€】：計算機中各功能單元之間傳送信息的通道?？偩€也包括地址總線、數據總線和控制總線。計算機硬件系統(tǒng)概述全文共15頁，當前為第15頁?！局鳈C】：由CPU、存儲器和輸入輸出接口組成的計算機硬件系統(tǒng)的核心。計算機硬件系統(tǒng)概述全文共15頁，當前為第15頁?！就鈬O備】：是指計算機硬件系統(tǒng)中除主機之外的所有設備，包括主機外設、基本外設和擴展外設?！居嬎銠C語言】：是由各種助記符按一定規(guī)則組成的人與計算機交流信息時使用的進言?！緳C器語言】：是一種用二進制代碼編制的、能夠被計算機硬件直接識別和執(zhí)行的程序語言?！締卧刂贰浚菏怯枚M制編碼表示的對主存儲器各存儲單元統(tǒng)一的編號?！疚弧浚菏怯嬎銠C傳送的最小單位，一位可存放一個二進制信息0或1?！咀止?jié)】：是計算機存儲的最小單元，一個字節(jié)包括8個二進制位。【字長】：一次運算的二進制數的位數稱為字長。它是計算機性能的重要指標。【指令流】：在計算機工作過程中，在存儲器與CPU之間形成的不斷傳遞的指令序列?！緮祿鳌浚涸谟嬎銠C工作過程中，在存儲器與CPU之間形成的不斷傳遞的數據序列?！鞠到y(tǒng)層次】：計算機系統(tǒng)存在的層次結構，一般可分為硬件系統(tǒng)、系統(tǒng)軟件和應用軟件3個層次。【主存儲器】：計算機主機內部的存儲器?！据o助存儲器】：CPU不能直接訪問的主機外部的存儲器?！局噶睢浚河布蛙浖g的界面。【向后兼容】：在計算機產品系列中，后繼產品與先前產品的兼容?！鞠蚯凹嫒荨浚合惹爱a品與后繼產品的兼容?！鞠蛏霞嫒荨浚旱蜋n機器上的軟件在高檔機器上的運行?！鞠到y(tǒng)軟件】：是整個計算機系統(tǒng)的一部分，為應用軟件的開發(fā)和運行提供支持，為用戶操作計算機以及應用程序的運行提供的一個方便的界面。【應用軟件】：完成用戶所需功能的軟件，專門為解決某個應用領域中的具體任務而編寫?！緟R編語言】：用容易記記的字符來表示計算機指令的語言。