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计算机组成原理考查目标1.理解单处理器计算机系统中各部件的内部工作原理、组成结构以及相互连接方式,具有完整的计算机系统的整机概念。2.理解计算机系统层次化结构概念,熟悉硬件与软件之间的界面,掌握指令集体系结构的基本知识和基本实现方法。3.能够运用计算机组成的基本原理和基本方法,对有关计算机硬件系统中的理论和实际问题进行计算、分析,并能对一些基本部件进行简单设计。第一章计算机系统概述计算机发展历程
计算机系统层次结构
1.计算机硬件的基本组成
2.计算机软件的分类
3.计算机的工作过程
计算机性能指标
吞吐量、响应时间;CPU时钟周期、主频、CPI、CPU执行时间;MIPS、MFLOPS。计算机系统层次结构计算机系统的层次结构现代计算机不能简单地认为是一种电子设备,而是一个十分复杂的硬、软件结合而成的整体。它通常由五个以上不同的级组成,每一级都能进行程序设计,如下图所示。计算机系统层次结构计算机系统层次结构第一级是微程序设计级。这是一个实在的硬件级,它由机器硬件直接执行微令。第二级是操作系统级,它由操作系统程序实现。第三级是汇编语言级,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。第四级是高级语言级,这是面向用户的,为方便用户编写应用程序而设置的。计算机系统层次结构在多级层次结构中,将除硬件系统(第一层和二级层)之外的上面三级层次称为虚拟机。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。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,层次划分不是绝对的。也可以进一步细分为七级结构,如下图所示。1.2计算机系统层次结构软硬件界面(Interface)计算机性能指标计算机性能指标要了解一台计算机的综合性能可以从以下几方面来衡量:1.CPU主频:主频是一个主要性能指标,很大程度上决定了计算机的运算速度,单位是MHZ。CPU时钟周期:T=1/f字长:字长标志着机器的计算精度。运算速度:用“每秒钟计算次数”来衡量,也可以用“每秒钟执行指令的数量”来衡量。运算方式:串行运算,并行运算。指令系统:根据指令功能齐全程度来衡量。中断系统:单重中断,多重中断。1.3计算机性能指标2.MEM存储周期:用存储器从接收到读写命令开始,到完成读写操作需要的时间来衡量;它反映了存储器的速度,也直接决定CPU的运算速度。存储容量:存储器所能存放的最大信息量,一般以字节为单位。如,1024B即1KB、MB、GB、TB等。3.I/O基本外设:机器能配套工作的必须设备。允许配置的最大外设量:能够配置的最大外设数量。4.Software能够配备软件功能齐全程度,如操作系统的数量,在各种操作系统下可支持的语言,应用软件的兼容性。计算机性能指标计算机系统的性能评价1.响应时间响应时间是指在用户向计算机系统发送一个请求后,到系统对该请求做出响应并获得他所需要的结果所需的等待时间,其中包括了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。2.吞吐率吞吐率定义为系统响应用户请求的速率。对于CPU,吞吐率可以表示为每秒钟可执行的指令数,或每秒钟执行的浮点操作次数。计算机性能指标3.CPU执行时间单CPU计算机的CPU执行时间主要取决三个因素:时钟周期T、每条指令所需时钟周期数CPI(CyclePerInstruction)和程序中总的指令数。设IN表示要执行程序中的指令总数,TC表示时钟周期的时间长度,CPI为每条指令所需时钟周期数,则该程序在CPU上运行所需的时间TCPU为:计算机性能指标其中指令总数主要取决机器指令系统和编译技术,每条指令所需的时钟周期数主要与计算机组成和指令系统有关,而时钟周期则主要有硬件工艺和计算机组成决定。每条指令平均所需时钟周期CPI是执行整个程序所需CPU时钟周期与程序中指令总数之商,或者说是执行的各种指令的CPI的加权平均:式中,Ii表示第i类指令在程序中执行次数,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总类数。计算机性能指标4.MIPS(MillionInstructionsPerSecond)衡量CPU性能的一个指标是每秒百万次指令数MIPS,它反映计算机每秒可执行的指令数。
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