第1章　計算機系統概述

1.1　考點歸納

【考綱指定考點】

【題型及考點分析】

本章主要考查形式是選擇題，一般對基本概念或者性能指標出選擇題，在綜合題中也可能涉及性能分析。主要考查點為本章中的馮諾依曼體系結構以及現代計算機的體系結構，計算機層次結構，計算機性能指標的計算與定義。

一、計算機發展歷程，層次結構

1計算機發展歷程

（1）從計算機問世到現在，計算機一共發展了四代。

第一代為電子管計算機，采用電子管作為邏輯元件，使用機器語言編程，主存用延遲線或磁鼓，運行速度慢，每秒幾千到幾萬次。

第二代為晶體管計算機，采用晶體管作為邏輯元件，開始出現高級程序語言，并且出現了操作系統的萌芽，主存使用磁芯存儲器，速度提升到每秒幾萬到幾十萬次。

第三代為中小規模集成電路，采用中小規模集成電路作為邏輯元件，高級語言發展迅速，出現分時操作系統，半導體存儲器出現取代磁芯，運行速度進一步提高。

第四代為超大規模集成電路時代，采用超大規模集成電路作為邏輯元件，產生了微處理器，并行流水線，虛擬存儲器，高速緩存等。

（2）摩爾定理：當價格不變時，集成電路板上的晶體管數目，約18個月便會增加一倍，性能提升一倍。

（3）計算機分類：電子模擬計算機和數字計算機。數字計算機分為通用機與專用機。

（4）計算機發展趨勢：往兩極化發展。微型計算機往更微型化，網絡化，高性能多用途發展；巨型機則往更加巨型化，超高速，并行處理，智能化發展。

2計算機系統層次結構

（1）早期的馮諾伊曼機

硬件系統由運算器，存儲器，控制器，以及輸入設備，輸出設備構成。

圖1-1　典型的馮諾依曼計算機結構

在馮諾依曼結構體系中將運算器作為核心，以“存儲程序”的基本思想設計。將程序輸入到計算機中，存儲在內存中，執行時從存儲器上一條一條的取出指令，執行指令。在早期的馮諾依曼體系中，控制器控制其他幾個部件，運算器可以與存儲器，輸入設備，輸出設備進行數據交換。

（2）現代計算機體系結構

現代計算機的基本設計思想未變，還是遵循馮諾依曼的存儲程序的思想，但是由于電子技術進步，加工信息增大，使用運算器作為核心不適用，現代計算器一般以存儲器為核心。

圖1-2　現代計算機組織結構圖

（3）計算機的功能部件

計算機雖然發展很快，但是主要的功能部件并未發生改變，他們包括：

①輸入設備

輸入設備的主要功能是將數據以機器所能識別和接受的信息形式輸入到計算機。最常用的輸入設備是鍵盤，鼠標、掃描儀等。

②輸出設備

輸出設備的任務是將計算機處理的結果以人們所能接受的形式或其他系統所要求的信息形式輸出。常用的輸出設備有顯示器，打印機等。

③存儲器

存儲器是計算機的存儲部件，用來存放程序和數據。

存儲器依據其能否直接與CPU進行數據交換分為主存儲器（簡稱主存，也稱內存儲器）和輔助存儲器（簡稱輔存，也稱外存儲器）。主存儲器主要與CPU進行信息交換，其所保存的信息斷電即失。輔助存儲器用于幫助主存儲器記憶更多的信息，其中的信息可以長期保存，但輔助存儲器中的信息必須調入主存后，才能被CPU所訪問。

主存儲器的按地址存取方式進行工作。基本組成結構如圖1-3所示。存儲體存放二進制信息，地址寄存器（MAR）存放地址，經過地址譯碼后找到所選的存儲單元。數據寄存器（MDR）用于暫存要從存儲器中讀或者寫的信息，時序控制邏輯用于產生存儲器操作所需的各種時序信號。

圖1-3　存儲器邏輯圖

地址寄存器的位數可以表示存儲器的大小，數據寄存器的位數與存儲體的字長一致。

在計算機中下面幾個關于字長的概念容易混淆

a．機器字長：計算機能直接處理的二進制數據的位數，機器字長一般等于內部寄存器的大小，它決定了計算機的運算精度。

b．指令字長：指令字中包含二進制代碼的位數。

c．存儲字長：一個存儲單元存儲二進制代碼的長度，必須是字節的整數倍。

指令字長一般都取存儲字長的整數倍，如果指令字長等于存儲字長的2倍，就需要2次訪存來取出一條指令。

④運算器

運算器是計算機進行數據加工處理的部件，用于完成算術運算和邏輯運算。算術運算包括加、減、乘、除等，邏輯運算包括與、或、非、移位等運算。

⑤控制器

控制器又叫中央處理器（CPU），是計算機的指揮中心，由其指揮各部件協調地進行工作。控制器包括程序計數器（PC）、指令寄存器（IR）、控制單元（CU）等幾部分。

（4）計算機軟件層次

計算機軟件主要分為：系統軟件與應用軟件。

①系統軟件：保證計算機系統高效、正確運行的基礎軟件。通常作為系統資源提供給用戶。常見的系統軟件有操作系統，數據庫管理系統等。

②應用軟件：為解決實際應用問題而編寫的程序，應用軟件種類繁多，如游戲、社交軟件等。

（5）計算機語言

計算機語言也可以分為三個層次：

①機器語言：二進制代碼語言，是計算機唯一可以直接識別和執行的語言，編程極不方便，需要程序員記憶很多二進制指令。

②匯編語言：一種低級語言，用英文單詞或其縮寫代替二進制的指令代碼，更容易為人們記憶和理解。匯編語言的程序經過匯編程序軟件的翻譯，將其轉換為計算機的機器語言后，才能在計算機的硬件系統上執行。

③高級語言：一種近似于自然語言的計算機編程語言，在匯編語言的基礎上發展而來，常見的有C，C＋＋，Java等。通常高級語言編寫的程序需要經過編譯程序編譯成匯編語言程序，然后經過匯編操作得到機器語言程序，或者直接由高級語言程序翻譯成機器語言程序。

翻譯程序是指把高級語言源程序翻譯成機器語言程序的計算機程序。翻譯程序有兩種：一種是編譯程序，它將高級語言源程序一次全部翻譯成目標程序，每次執行程序時，只要執行目標程序，因此，只要源程序不變，就無須重新翻譯。另一種是解釋程序，它將源程序的一條語句翻譯成對應的機器目標代碼，并立即執行，然后翻譯下一條源程序語句并執行，直至所有源程序語句全部被翻譯并執行完。所以解釋程序的執行過程是翻譯一句執行一句，并且不會生成目標程序。匯編程序也是一種語言翻譯程序，它把匯編語言源程序翻譯為機器語言程序。匯編語言是一種面向機器的低級語言，是機器語言的符號表示，與機器語言一一對應。

【例】計算機系統采用層次化結構組成系統，從最上層的最終用戶到最低層的計算機硬件，其層次化構成為（　　）。

A．高級語言機器-操作系統機器-匯編語言機器-機器語言機器-微指令系統

B．高級語言機器-匯編語言機器-機器語言機器-操作系統機器-微指令系統

C．高級語言機器-匯編語言機器-操作系統機器-機器語言機器-微指令系統

D．高級語言機器-匯編語言機器-操作系統機器-微指令系統-機器語言機器

【答案】C

【解析】本題考查對多級層次結構計算機系統的理解，如圖所示：

圖1-4　層次化構成

二、計算機性能指標

1機器字長或機器字數

指計算機進行一次整數運算所能處理的二進制數據的位數。機器字長一般等于內部寄存器的位數，字長越長，數的表示范圍越大，計算精度就越高。計算機字長通常都選定為字節（Byte，8位）的整數倍。不同的計算機，字長可以不相同。

2數據通路帶寬

指數據總線一次所能并行傳送信息的位數。這里所說的數據通路寬度是外部數據總線的寬度，它與CPU內部的數據總線寬度（內部寄存器的大小）有可能不同。

3主存容量

指主存儲器所能存儲信息的最大容量，通常以字節來衡量，也可以用字數×字長（如512K×16位）來表示存儲容量。其中，MAR的位數反映了存儲單元的個數，MAR的位數反映了可尋址范圍的最大值，可能比實際存儲器的存儲容量大。

4運算速度

（1）吞吐量和響應時間

①吞吐量：指系統在單位時間內處理請求的數量。它取決于信息輸入內存的速度，CPU取指令的速度，數據從內存取出或存入的速度，以及所得結果從內存送給一臺外部設備的速度。這些步驟與主存密切相關，因此，系統吞吐量主要取決于主存的存取周期。

②響應時間：指從用戶向計算機發送一個請求，到系統對該請求給出結果的等待時間。通常包括CPU的執行時間（運行一個程序所花費的時間）與等待時間（用于磁盤訪問、存儲器訪問、I/O操作、操作系統開銷等時間）。

（2）主頻和CPU時鐘周期

①CPU時鐘周期：通常為節拍脈沖或T周期，即主頻的倒數，它是CPU中最小的時間單位，每個動作至少需要一個時鐘周期。

②主頻（CPU時鐘頻率）：機器內部主時鐘的頻率，它是衡量機器速度的重要參數。主頻的倒數是CPU時鐘周期。主頻越高，完成指令的一個執行步驟所用的時問越短，執行指令的速度越快。

（3）CPI（Clockcycle Per Instruction）

CPI即執行每條指令所需的時鐘周期數，由于各個指令情況不一，故CPI一般為平均值。

（4）CPU執行時間

CPU執行時間指運行一個程序所花費的時間。

CPU執行時間＝CPU時鐘周期數/主頻＝（指令條數×CPI）/主頻

上式表明，CPU的性能（CPU執行時間）取決于三個要素：a．主頻（時鐘頻率）；b．每條指令執行所用的時鐘周期數（CPI）；c．指令條數。

（5）MIPS、MFLOPS、GFLOPS和TFLOPS

①MIPS（MillionInstructionsPerSecond），即每秒執行多少百萬條指令。

MIPS＝指令條數÷（執行時間×10⁶）＝主頻÷CPI

②MFLOPS（Mega Floating-point Operations Per Second），即每秒執行多少百萬次浮點運算。

MFLOPS＝浮點操作次數÷（執行時間×10⁶）

③GFLOPS（Giga Floating-point Operations Per Second），即每秒執行多少十億次浮點運算。

GFLOPS＝浮點操作次數÷（執行時間×10⁹）

④TFLOPS（Tera Floating-point Operations Per Second），即每秒執行多少萬億次浮點運算。

TFLOPS＝浮點操作次數÷（執行時間×10¹²）

【例】MIPS（每秒百萬次指令數）和MFLOPS（每秒百萬次浮點運算數）是衡量CPU性能的兩個指標，其中（　　）。

A．MIPS適合衡量向量處理機的性能，MFLOPS適合衡量標量處理機的性能

B．MIPS適合衡量標量處理機的性能，MFLOPS適合衡量向量處理機的性能

C．MIPS反映計算機系統的峰值性能，MFEOPS反映計算機系統的持續性能

D．MIPS反映計算機系統的持續性能，MFLOPS反映計算機系統的峰值性能

【答案】B

【解析】MIPS反映的是單位時間內執行定點指令的條數，MLOPS是基于所完成的浮點操作次數而不是指令數。在標量計算機中執行一條指令，一般可得到一個運算結果；而在向量機中，一條向量指令通常要對多個數據元素進行運算，得到多個運算結果。MIPS指標不能準確反映向量集中數據的運算速度。因此，MIPS（每秒百萬次指令數）適合衡量標量處理機的性能，MFLOPS（每秒百萬次浮點運算數）適合衡量向量處理機的性能。