计算机组成原理_第一章计算机系统概论

计算机组成原理第一章计算机系统概论（清楚一个概念）计算机的性能指标：吞吐量：表征一台计算机在某个时间间隔内能够处理的信息量。

响应时间：表征从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来度量。

利用率：在给定的时间间隔内系统被实际使用的时间所占的比率，用百分比表示。

处理机字长：指处理机运算器中一次能够完成二进制数运算的位数。

总线宽度：一般指CPU中运算器与存储器之间进行互连的内部总线二进制位数。

存储器容量：存储器中所有存储单元的总数目，通常KB,MB,GB,TB来表示。

存储器带宽：单位时间内存储器读出的二进制数信息量，一般用字节数/秒表示。

主频/时钟周期：CPU的工作节拍受主时钟控制，主时钟不断产生固定频率的时钟，主时钟的频率叫CPU的主频。

度量单位MHZ（兆赫兹）、GHZ（吉赫兹）主频的倒数称为CPU时钟周期（T),T=1/f，度量单位us，nsCPU执行时间：表示CPU执行一般程序所占的CPU时间，公式：CPU执行时间=CPU时钟周期数xCPU时钟周期CPI：表示每条指令周期数，即执行一条指令所需的平均时钟周期数。

公式：CPI=执行某段程序所需的CPU时钟周期数/程序包含的指令条数MIPS：表示平均每秒执行多少百万条定点指令数，公式：MIPS=指令数/（程序执行时间x10^6）第二章运算方法和运算器原码定义：（1）整数（范围（-（2^n-1）~ 2^n-1)（2）小数(范围-（2^-n-1 ~ 1-2^-n)反码定义：（3）整数（范围（-（2^n-1）~ 2^n-1)（4）小数(范围-（2^-n-1 ~ 1-2^-n)补码定义：（5）整数（范围（-（2^n ）~ 2^n-1)（6）小数(范围（-1 ~ 1-2^-n)移码表示法（用于大小比较与对阶操作）IEEE754标准格式：符号位（1位）+ 阶码（移码）+ 尾数正溢：两个正数相加，结果大于机器字长所能表示的最大正数负溢：两个负数相加，结果小于机器字长所能表示的最小负数检测方法：1、双符号位法2、单符号位法不带符号阵列乘法器：同行间并行不同行间串行浮点加减运算操作过程大体分四步：1、0操作数检查2、比较阶码大小完成对阶3、尾数进行加减运算4、结果规格化所进行舍入处理流水线原理:时间并行性线性流水线的加速比：C k=T L/T K =nk/k+（n-1）第三章存储系统程序局部性原理：在某一段时间内频繁访问某一局部的存储器地址空间，而对此范围以外的地址空间则很少访问的现象。

可编辑修改精选全文完整版第一章计算机系统概论1. 什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件？硬件和软件哪个更重要？解：P3计算机系统：由计算机硬件系统和软件系统组成的综合体。

计算机硬件：指计算机中的电子线路和物理装置。

计算机软件：计算机运行所需的程序及相关资料。

硬件和软件在计算机系统中相互依存，缺一不可，因此同样重要。

5. 冯•诺依曼计算机的特点是什么？解：冯•诺依曼计算机的特点是：P8●计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件组成；●指令和数据以同同等地位存放于存储器内，并可以按地址访问；●指令和数据均用二进制表示；●指令由操作码、地址码两大部分组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置；●指令在存储器中顺序存放，通常自动顺序取出执行；●机器以运算器为中心（原始冯•诺依曼机）。

7. 解释下列概念：主机、CPU、主存、存储单元、存储元件、存储基元、存储元、存储字、存储字长、存储容量、机器字长、指令字长。

解：P9-10主机：是计算机硬件的主体部分，由CPU和主存储器MM合成为主机。

CPU：中央处理器，是计算机硬件的核心部件，由运算器和控制器组成；（早期的运算器和控制器不在同一芯片上，现在的CPU内除含有运算器和控制器外还集成了CACHE）。

主存：计算机中存放正在运行的程序和数据的存储器，为计算机的主要工作存储器，可随机存取；由存储体、各种逻辑部件及控制电路组成。

存储单元：可存放一个机器字并具有特定存储地址的存储单位。

存储元件：存储一位二进制信息的物理元件，是存储器中最小的存储单位，又叫存储基元或存储元，不能单独存取。

存储字：一个存储单元所存二进制代码的逻辑单位。

存储字长：一个存储单元所存二进制代码的位数。

存储容量：存储器中可存二进制代码的总量；（通常主、辅存容量分开描述）。

机器字长：指CPU一次能处理的二进制数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关。

指令字长：一条指令的二进制代码位数。

计算机组成原理第一章—计算机系统概论1.1计算机系统的简介1. 计算机系统由硬件与软件两大部分组成2. 将高级程序语言翻译成机器语言的程序称为翻译程序，翻译程序有两种，一种是编译程序，一种是解释程序，编译与解释的区别在于，编译程序是将高级语言程序一次性翻译为机器语言程序，而解释程序是翻译一句，执行一句。

3. 高级语言经过编译程序翻译为汇编语言，汇编语言经汇编程序，翻译为机器语言程序1.2计算机的基本组成1.1945年冯诺依曼提出了"存储程序"的概念，冯诺依曼机特点：1. 计算机由存储器，运算器，控制器，输入设备与输出设备组成2. 指令与数据以同等地位存放在存储器内，按地址寻访3. 指令与数据均按二进制数表示4. 指令由操作码与地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置5. 指令在存储器内按顺序存放6. 计算机以运算器为中心，输入设备与输出设备的数据传送通过运算器来完成2.冯诺依曼机是由运算器为中心的，现代计算机是以存储器为中心的3.计算机的工作过程（必考）涉及的元器件：MAR(地址寄存器)，MDR(指令寄存器)，ALU(算数逻辑单元)，ACC(累加器)，MQ(乘商寄存器)，PC(程序计数器)，IR(指令寄存器)（掌握执行指令的全过程）4.机器字长：机器字长是指CPU一次能处理数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关5.存储容量：存储容量存储单元个数存储字长6.运算速度(可能出计算)：Vm = 1 / Tm 单位MIPS(百万指令每秒)CPI （执行每条指令所需要的时钟周期）= 1 / IPC(CPU每一周期执行指令的条数，一旦CPU设计完成，IPC的值不会变)第三章—系统总线3.1总线的基本概念总线是连接多个部件的信息传输线，是各部件共享的介质（总线的每条传输线可以传输1位二进制代码）3.2总线的分类总线按照数据传送方式可分为两类：1. 并行传输总线2. 串行传输总线按连接部件的不同可以分为三类（掌握加粗部分）：1. 片内总线(指芯片内部的总线)2. 系统总线3. 通信总线3.2.1片内总线概念：片内总线是指芯片内部的总线3.2.2系统总线系统总线是指CPU,I/O设备，主存各大部件的信息传输线按照系统总线的传输信息不同，可分为三类：1. 数据总线2. 地址总线3. 控制总线1.数据总线：双向传输总线，与机器字长与存储字长有关2.地址总线：单向传输总线，由CPU发出，主存的地址线位数与存储单元的个数有关3.控制总线：从单个来说传输是单向的，从总体来说传输的双向的3.2.3通信总线（了解即可）这类总线用于计算机系统之间或计算机系统与其他操作系统之间的通信3.3总线特征与性能指标3.3.2总线性能指标1.总线宽度：总线宽度可以数据总线的宽度，用位来表示，例如8位，16位，32位2.总线带宽（要求会计算，且掌握提高总线速率的方式）：总线带宽可以理解为总线的传输速率，即单位时间上的传输数据的位数，通常用每秒传输的字节数来衡量，单位Mbps(兆字节每秒)例子：总线的频率为33Hz，总线宽度为32位，求总线带宽？33*（32/8）=132MBps3.总线复用：一条信号线上传输两种线号，例如，一条总线上即可传输地址信号，又可传输数据信号，此称之为总线复用3.3.3总线标准（掌握PCI,USB）1.PCI总线：为了提升总线性能，由Intel首先提出，PCI中文名称为外围部件互连，其最出名的特性为即插即用，即任何扩展卡插入系统便可直接工作，现在已推出了PCI-ExpressB总线：通用串行总线，真正的即插即用，这里的串行指的是串行通信，即使用一条数据线，将数据1位1位的进行传输，不可同时传输2位数据3.5总线控制1.为何使用总线控制？由于总线上连接着多个部件，什么时候由哪个部件发送信息，如何给信息传送定时，如何防止信息丢失，如何避免多个部件同时发送，如何规定接受信息的部件等一系列问题，都需要由总线控制器统一管理。

第一章计算机系统概论习题答案1、答：计算机系统由硬件和软件两大部分组成。

硬件即指计算机的实体部分，它由看得见摸的着的各种电子元器件，各类光电、机设备的实物组成，如主机、外设等。

软件时看不见摸不着的，由人们事先编制成具有各类特殊功能的信息组成，用来充分发挥硬件功能，提高机器工作效率，便于人们使用机器，指挥整个计算机硬件系统工作的程序集合。

软件和硬件都很重要。

2、答：从计算机系统的层次结构来看，它通常可有五个以上的不同级组成，每一个上都能进行程序设计。

由下至上可排序为：第一级微程序机器级，微指令由硬件直接执行；第二级传统机器级，用微程序解释机器指令；第三级操作系统级，一般用机器语言程序解释作业控制语句；第四级汇编语言机器级，这一级由汇编程序支持和执行；第五级高级语言机器级，采用高级语言，由各种高级语言编译程序支持和执行，还可以有第六级应用语言机器级，采用各种面向问题的应用语言。

3、答：机器语言由0、1代码组成，是机器能识别的一种语言。

汇编语言是面向机器的语言，它由一些特殊的符号表示指令，高级语言是面向用户的语言，它是一种接近于数学的语言，直观，通用，与具体机器无关。

4、答：计算机组成是指如何实现计算机体系结构所体现的属性，它包含了许多对程序员来说是透明的硬件细节。

计算机体系结构是指那些能够被程序员所见到的计算机系统的属性，即概念性的结构与功能特性，通常是指用机器语言编程的程序员所看到的传统机器的属性，包括指令集、数据类型、存储器寻址技术、I/O机理等等，大都属于抽象的属性。

5、答：特点是：(1) 计算机由运算器、存储器、控制器和输入设备、输出设备五大部件组成(2) 指令和数据以同等的地位存放于存储器内，并可以按地址寻访(3) 指令和数据均可以用二进制代码表示(4) 指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数所在存储器中的位置(5) 指令在存储器内按顺序存放。

通常，指令是顺序执行的，在特定情况下，可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序(6) 机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器的数据传送通过运算器。

第一章计算机系统概论1. 什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件？硬件和软件哪个更重要？解：P3计算机系统：由计算机硬件系统和软件系统组成的综合体。

计算机硬件：指计算机的物理实体。

计算机软件：计算机运行所需的程序及相关资料。

硬件和软件在计算机系统中相互依存，缺一不可，因此同样重要。

5. 冯•诺依曼计算机的特点是什么？解：冯•诺依曼计算机的特点是：P8计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件组成；指令和数据以同同等地位存放于存储器内，并可以按地址访问；指令和数据均用二进制表示；指令由操作码、地址码两大部分组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置；指令在存储器中顺序存放，通常自动顺序取出执行；机器以运算器为中心（原始冯•诺依曼机）。

8. 解释下列英文缩写的中文含义：CPU、PC、IR、CU、ALU、ACC、MQ、X、MAR、MDR、I/O、MIPS、CPI、FLOPS解：全面的回答应分英文全称、中文名、功能三部分。

CPU：Central Processing Unit，中央处理机（器），是计算机硬件的核心部件，主要由运算器和控制器组成。

PC：Program Counter，程序计数器，其功能是存放当前欲执行指令的地址，并可自动计数形成下一条指令地址。

IR：Instruction Register，指令寄存器，其功能是存放当前正在执行的指令。

CU：Control Unit，控制单元（部件），为控制器的核心部件，其功能是产生微操作命令序列。

ALU：Arithmetic Logic Unit，算术逻辑运算单元，为运算器的核心部件，其功能是进行算术、逻辑运算。

ACC：Accumulator，累加器，是运算器中既能存放运算前的操作数，又能存放运算结果的寄存器。

MQ：Multiplier-Quotient Register，乘商寄存器，乘法运算时存放乘数、除法时存放商的寄存器。

计算机组成原理·第六版（课后习题）第⼀章第⼀章计算机系统概论1. ⽐较电⼦数字计算机和电⼦模拟计算机的特点电⼦数字计算机中处理的信息是在时间上离散的数字量，运算过程是不连续的；电⼦模拟计算机中处理的信息是连续的变化的物理量，运算过程是连续的。

2. 数字计算机如何分类？分类的依据是什么？分为专⽤计算机和通⽤计算机分类依据是计算机性能、速度、价格、运⾏的经济性3. 数字计算机有哪些应⽤ ？科学计算、⼈⼯智能、家⽤电器、测量等4. 冯·诺依曼型计算机的主要设计思想是什么？它包括哪些组成部分？主要设计思想：1）采⽤存储程序的⽅式编织好的程序和数据都存放在同⼀存储器中，2）计算机可以在⽆⼈⼲预的请扩下⾃动完成逐条指令的取出和执⾏指令的任务3）指令和数据均以⼆进制码的形式存储在计算机中组成部分：运算器、存储器、I/O设备、逻辑器、5. 什么是存储容量？什么是单元地址？什么是数据⾃？什么是指令字？存储容量：存储器中所有存储单元的总数单元地址：每个存储单元的编号数据字：某字代表要处理的数据指令字：某字为⼀条指令6. 什么是指令？什么是程序？指令：计算机硬件可以直接执⾏的每⼀个基本的算术运算或逻辑运算的操作程序：解算某⼀问题的⼀串指令寻列7. 指令和数据均存放在内存中，计算机如何区分他们是指令还是数据？指令：取指周期中从内存读出的信息流数据：执⾏器周期中内存读取的信息流8. 计算机的系统软件包括哪⼏部分？说明他们的⽤途。

半导体存储器称为内存存储容量更⼤的磁盘存储器和光盘存储器称为外存内存和外存共同来保存⼆进制数据运算器和控制器合称中央处理器，简称CPU ⽤来控制计算机以及进⾏算术逻辑运算配适器是外围设备与主机联系的桥梁，相当于转换器，使主机和外围设备并⾏协调⼯作9. 计算计的系统软件包括哪⼏类？说明他们的⽤途包括系统程序和应⽤程序。

系统程序⽤于简化程序设计，提⾼计算机使⽤效率应⽤程序是⽤户利⽤计算机来解决某些问题⽽编制的程序10. 现代计算机系统如何进⾏多级划分？这种分级观点对计算机设计会产⽣什么影响？微程序设计级机器语⾔级操作系统级汇编语⾔级⾼级语⾔级⽤⼀系列的级来组成计算机的借⼝对于掌握计算机是如何组成的提供了良好的结构和体制分级的挂念来设计计算机保证产⽣⼀个良好的系统结构也是很有帮助的11. 为什么软件能够转化为硬件？硬件能转化为软件？实现这种转化的媒介是什么？应为任何操作可以由软件来实现，也可以由硬件来实现；任何指令的执⾏可以由软件完成，也可以由硬件完成，实现这种转化的媒介是软件与硬件的逻辑等价性。