補充材料1硬件系統(tǒng)概述

2算機硬件系統(tǒng)概基礎(chǔ)知計算機的發(fā)19462ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAnd4 用機器語言；可以信息；運行速度慢。 磁心器；用匯編語言取代機器語言。 晶體管；采用半導(dǎo)體器；使用了操作系統(tǒng)等。第四代計算機（1972年?現(xiàn)在）——超大規(guī)模集成電路時代。主要特點：采用集成度很采用 8088處理器的微型計算機IBMPC和IBMPC/XT為第一代微型計算機采用In80286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 80386處理器的微型計算機為第三代微型計算機（簡稱386機釆用In80486處理器的微型計算機為第四代微型計算機（簡稱486機Pentium計算機的特點及應(yīng)計算方法科學(xué)。計算方法由程序體現(xiàn)，一個算法正確且優(yōu)質(zhì)的程序，再加上數(shù)的計算功上。其中，計算機輔助技術(shù)包含計算機輔助設(shè)計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）計算機的類型及發(fā)展方分為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、7類。多化計算機系統(tǒng)的組2.1處理處理ROM(只讀 掃描

2.1計算機系統(tǒng)的組計算機系統(tǒng)的層次結(jié)2.2134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(fù)雜5543 系統(tǒng)軟212.2計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)示意在如圖2.2所示的多級結(jié)構(gòu)中，將除硬件系統(tǒng)(1層和第2層)之外的上面3個層次稱層次劃分也不是。計算機的硬件系（1）程序的概計算機（指硬件）由運算器、器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備5大基本部件將編好的程序和原始數(shù)據(jù)事先存入器中，然后再由計算機自動執(zhí)行，使計算機在不需要人工干預(yù)的情況下，自動、告訴地從器中取出指令加以執(zhí)行，這就是前面介紹的四代計算機都是建立在程序概念的基礎(chǔ)上的按照這個基本原理建立起來的計算機統(tǒng)稱為馮·5大部件：器、、、2.3器器輸入設(shè)輸入設(shè) 輸出設(shè)2.3計算機硬件系統(tǒng)的基本組①②運算器寄存器、累加器及單元的長度應(yīng)與ALU（算術(shù)邏輯運算部件）的字長相等或者是它的③控制器外器也是計算機中重要的外部設(shè)備它既可以作為輸入設(shè)備也可以作為輸出設(shè)備計算機的軟件系—6類。操作系語言處理程3種。匯編程序的功能是把用匯編語言標(biāo)準(zhǔn)庫程服務(wù)性程（也稱工具軟件數(shù)據(jù)庫管理系計算機網(wǎng)絡(luò)軟軟件與硬件的關(guān)馮?結(jié)構(gòu)及特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處理器（CPU),還把CPU、器和輸入輸出接口電路合在一起構(gòu)成的處理系統(tǒng)稱為主機。設(shè)備一般算機科學(xué)家馮?等人在早期計算機設(shè)計中采用的結(jié)構(gòu)，而且在后來的計算機中不斷沿用，被稱為馮?結(jié)構(gòu)。。程序的工作方式，程序中的各條指令按順序串行地執(zhí)行程序方式是指計算機完。地完成操作。計算機中的程序和數(shù)據(jù)都是二進制形式的代碼。運算器的基本功運算器是完成運算功能的部件，主要包括算術(shù)邏輯單元和寄存器。其功能如下器的類型和操器是程序和數(shù)據(jù)的部件，包括主器和輔助器（2）輔助器：主機外部的器，CPU不能直接。當(dāng)CPU需要存放在外寫操作：將數(shù)據(jù)放入某個單元中，稱為寫操作讀操作：將單元中的數(shù)據(jù)取出，稱為讀操作。讀操作和寫操作統(tǒng)稱為對器的。計算機硬件系統(tǒng)研究的內(nèi)(1)計算機實、從邏輯角度研究計算機系統(tǒng)中各個組成部分的構(gòu)成方法，包括數(shù)據(jù)通路的構(gòu)成系、(3)計算機系統(tǒng)結(jié)馮?結(jié)構(gòu)計算機主要的外特馮?結(jié)構(gòu)計算機的主要特性有以下幾點指令和數(shù)據(jù)都以字的方式存放在同一器中，然后才能運行，從數(shù)據(jù)和指令本身器是一個一維的空間，二維或者的數(shù)據(jù)要映射到這個一維的空間使用低級及其語言，指令和數(shù)據(jù)以二進制形式表示CPU影響計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的因（1)（2)（3)（4)間的不平衡性也導(dǎo)致了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化。如CPU何器速度之間的差異導(dǎo)致了高速緩（Cache）的出現(xiàn)。此外，器件的發(fā)展還影響到計算機系統(tǒng)的開發(fā)計算機性能評價的方3分析的方模擬的方測試的方簡單的計算機性能分CPUTCPUTCPUININ表示要執(zhí)行程序中的指令總數(shù)，CPITCCPI是各種指令CPI的平均，可由下式表示nnCPIiCPIi IiiCPIii類指令所需的平均時鐘周期數(shù)，n為程序中所有的指令種類數(shù)，RC為TC的倒數(shù)。MIPST

TE=TCPU,CPU的執(zhí)行時間。RCTC的倒數(shù)，上式還反MIPSCPI的關(guān)系。MFLOPS

ETE由于程序中浮點運算所占的比例各不相同，MFLOPSMFLOPS指標(biāo)MFLOPS值。計算機性能評計算機系統(tǒng)性能的衡量尺度是響應(yīng)時間和吞吐CPU，吞吐率可表示為每秒鐘可執(zhí)行的指計算機的性能評價有峰值性能和持續(xù)性能兩個（1)它是指計算機在商業(yè)金融貿(mào)易等應(yīng)用場合的處理方式一般運行大型數(shù)據(jù)庫，計算機性能測試方（1)用于測試計算機性能的工作負(fù)載類型有指令混合、程序、合成程序和應(yīng)用測試從實際應(yīng)用程序中提取出的運行時間最長的部分，代表應(yīng)用程序中的常用操作（2)標(biāo)準(zhǔn)化的性能測試程序通常由一組程序合成程序和應(yīng)用測試程序構(gòu)成如PEC95對這些數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計的方法有算術(shù)平均幾何平均和調(diào)3A1R111(11...1 n i1

nn(nn(Riin niTi

1/

1/Gm

...nnHmn1nn

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... i1 i 的算術(shù)平均值 nAmwiRii

i1 的幾何平均值nGRwRwRw... i1 的調(diào)和平均值11Hmnw11

wTw

...w

1 2 ni1

ih上 平均值表達(dá)式中wi1不同的基準(zhǔn)測試程序采用不同的統(tǒng)計方法如i采用調(diào)和平均，iCOMP計算機主要性能指一個主器所能的全部信息稱為主存容量它是用每秒能執(zhí)行的指令條數(shù)來表示，單位是條數(shù)/秒。MIPS典型例例 X3Y3臺計算機的相對性能。表2-1用兩個基準(zhǔn)測試程序?qū)?臺計算機進試所獲得的運行速度值基準(zhǔn)測試程計算計算計算2-1B1，YX機的一半，但對基準(zhǔn)測試程B2，Y機速度為X機的一倍。類似的，對B1，Z機速X機的一倍，對B2，Z機XX2-2所示的相對性能值2-2課件，根據(jù)算術(shù)平均值A(chǔ)m,Y機和Z機速度均比X機要快25%；而根據(jù)幾何平均值，3臺計算機的性能一樣。2-2X機為基準(zhǔn)進行折算得到的相對性能基準(zhǔn)測試程計算計算計算如果以Y2-3所示的結(jié)果值。由該結(jié)果值可知，根據(jù)算術(shù)平均值A(chǔ)m，現(xiàn)在X機速度比Y機快25%，Z機似乎更快；而根據(jù)幾何平2-3Y機為標(biāo)準(zhǔn)來計算相對性能值所得到的結(jié)基準(zhǔn)測試程計算計算計算2.240MHz的處理機執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)測試程序，它所包含的混合指令數(shù)和相應(yīng)所需2-4CPI，MIPS速率和程序的執(zhí)行時間。表2-4包含的混合指令數(shù)和響應(yīng)所需的時鐘周指令類指令混合1

轉(zhuǎn) 存CPI的計算采用平均的方法，權(quán)重就是每種指令出現(xiàn)的概率，即指令混合比。CPI=1×602×18%+4×12%+8×10%=2.24MIPS速率2.340MHz處理機執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)測試程序，它所包含的混合指令數(shù)和相應(yīng)所需的2-5CPI，MIPS速率和程序的執(zhí)行時間。表2-5包含的混合指令數(shù)和響應(yīng)所需的時鐘周指令類指令時鐘周期12上述指令總數(shù)為45000 =100000條4種指令的使用比例分別為45%、32%、15%和8%。MIPS速率=40/1.55=25.8程序的執(zhí)行時間 ×1.55/(40×106)=3.875×10-3（秒2.415MHz10MIPS混合程序。假定每次器存取周期為1的延遲，試問CPI取需要2個周期。如果30%的指令中每條只需1次器存取，而另外的5%的每條需2次CPIMIPS1CPICPI=1.5+0.30×(2-1)+0.05×2×(2-根據(jù)MIPS計算，可得例2.5某臺計算機只有Load/Store指令能對器進行讀/寫操作，其他指令只對寄存器進行操作。根據(jù)程序?qū)嶒灥慕Y(jié)果，已知每種指令所占的比例及CPI數(shù)如表2-6所示求表中所列情況下的平均CPI假設(shè)程序由M條指令組成。在算術(shù)邏輯運算中，25%的指令兩個操作數(shù)中的一個已在寄存器中另一個必須在算術(shù)邏輯指令執(zhí)行前用Load指令從器中取到寄存器中。自器，即寄存器-器類型，假設(shè)這種指令的CPI等于2，同時，轉(zhuǎn)移指令的CPI變3CPI。表2- 每種指令所占的比例及CPI指令類指令所占比例1Load2Store指22CPI75%43%×75%=33.25%；25%43%×25%=10.75%；Store指令的數(shù)量占12%，轉(zhuǎn)移指令占24%。在新的指令系統(tǒng)中，Load指令的個數(shù)將減少，總指令數(shù)減為原來總數(shù)的1-Load指令為：10.25%/89.25%=11.48%，CPI2；Store指令為：12%/89.25%=13.45%，CPI為轉(zhuǎn)移指令為：24%/89.25%=26.89%，CPICPICPI=36.13%×1+(12.04%+11.48%+13.45)×2CPI值增加，CPU例2.6假定某計算機有以下：25%；CPICPICPI20。CPI3。比較這兩種設(shè)計方案。CPI(4×25%)+(1.33×75%)CPICPI(3×25%)+(1.33×75%)例2.7馮.計算機體系結(jié)構(gòu)的基本思想是什么？按此思想設(shè)計的計算機硬件系統(tǒng)本題考查的是程序的概念、計算機硬件系統(tǒng)的組成馮.計算機體系的基本思想是：程序，即將用指令序列描述的解題的程序與原始數(shù)據(jù)一起，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按此思想設(shè)計的計算機硬件系統(tǒng)包含：運算器、控制器、器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)驅(qū)動計算機的各部件按節(jié)拍完成程序規(guī)定的操作內(nèi)容；器用來存放程序、數(shù)據(jù)2.8外，電子計算機采用了程序的設(shè)計思想。通用性。即計算機處理的信息不僅可以是數(shù)值數(shù)據(jù)，也可以是非數(shù)值數(shù)據(jù)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.原理，現(xiàn)代計算機應(yīng)具備哪些功能按照馮.原理，計算機必須具有如下功能(2)功能。計算機應(yīng)能夠“記住”原始數(shù)據(jù)和解題步驟以及解題過程中的一些中間計算功能。計算機應(yīng)能完成人們所需要的計算自我控制能力。計算機應(yīng)能保證程序執(zhí)行的正確性和各部件之間的協(xié)調(diào)性例2.10計算機硬件由5個基本部分組成，包括 該題為比較簡單的填空題，只需要了解馮.體系結(jié)構(gòu)，就可以正確地填寫。答案為：運算器控制器器輸入設(shè)備輸出設(shè)備例2.14計算機軟件總體上分為兩大類，一類為 軟件，而WindowsXP屬于 軟件、多處理軟件、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 應(yīng)用應(yīng) 系CAI為計算機輔助教學(xué)軟件，屬于應(yīng)用軟件；WindowsXP為操作系統(tǒng)，屬于系統(tǒng)軟例2.11能被計算機直接識別的語言 A．匯編語 B.機器語C．高級語 D.應(yīng)用語3類語言B。例2.12計算機系統(tǒng)中的器是 B.C．主 D.主器和輔助系統(tǒng)中的器包括主器和輔助器。主器一般采用半導(dǎo)體器件實現(xiàn)，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(shù)據(jù)。主器的特點是容量小、速度快、斷電后數(shù)據(jù)將丟失。輔助器一般采用磁表面器或光和數(shù)據(jù)。輔助器的特點是容量較大、速度慢、可永久性保存數(shù)據(jù)。所以答案為D本章附錄：計算機硬件系統(tǒng)涉及的基本概控制器、器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備組成?！具\算器】：由算術(shù)邏輯單元（ALU）和寄存器組成的器件【器】：用于程序和數(shù)據(jù)的器件，通常分為主器和輔助器容不變，這樣的器，稱為讀器。【寫器】：除了地址和寫信號之外還要提供寫數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)寫入指定的地址后將替換原來的數(shù)據(jù)，這樣的器，稱為寫器?！咎幚砥鳌浚哼\算器和控制器集成在一起形成的部件處理各種中斷、并為用戶提供操作界面的系統(tǒng)軟件。其主要功能有管理、命令處理和設(shè)【CPU】：即處理器(CentralProcessingUnit)，由運算器和控制器組成的器件【ALU】：即算術(shù)邏輯單元(ArithmeticandLogicUnit,ALU)，它是運算器中具體完成算術(shù)運【主機】：由CPU、器和輸入輸出接口組成的計算機硬件系統(tǒng)的【設(shè)備】：是指計算機硬件系統(tǒng)中除主機之外的所有設(shè)備，包括主機外設(shè)、【單元地址】：是用二進制編碼表示的對主器各單元統(tǒng)一的編號01【字節(jié)】：是計算機的最小單元，一個字節(jié)包括8個二進制位【指令流】：在計算機工作過程中，在器與CPU之間形成的不斷傳遞的指令序列【數(shù)據(jù)流】：在計算機工作過程中，在器與CPU之間形成的不斷傳遞的數(shù)據(jù)序列【主器】：計算機主機內(nèi)部的器【輔助器】：CPU不能直接的主機外部的器【并行性】：是指在同一時刻成兩一時間間隔內(nèi)發(fā)生兩個或兩個以上的特性【并發(fā)性】：兩個或兩個以上的在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生的特性【ROM】：即只讀器。內(nèi)容固定，只能而不能寫入的器【RAM】：即隨機器。數(shù)據(jù)讀寫時間均相等，與數(shù)據(jù)的位置無關(guān)的器【SRAM】：即靜態(tài)器。是一種數(shù)據(jù)讀寫速度較