计算机系统结构 第4章 输入输出系统

计算机四级计算机组成原理知识点总结
计算机四级计算机组成原理涉及多个关键知识点，主要包括：
1.**计算机的基本组成**：计算机主要由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成。

其中，运算器和控制器合称为中央处理器（CPU）。

2.**指令系统**：指令是计算机执行某种操作的命令，通常由操作码和操作数地址码组成。

指令系统是指一台计算机中所有指令的集合。

指令的长度取决于操作码的长度、操作数地址码的长度和操作数地址的个数，与机器字长没有固定的关系。

指令可以分为零地址指令、一地址指令等多种类型。

3.**计算机硬件层次结构**：计算机硬件层次结构可以分为微程序机器层（M0）、传统机器层（M1）、虚拟机器层（M2）、汇编语言机器层（M3）和高级语言机器层（M4）。

每一层都对应着不同的指令系统和执行方式。

4.**存储系统**：存储系统包括主存储器（内存）和辅助存储器（外存）。

主存储器是计算机直接访问的存储部件，其速度快，但容量小。

辅助存储器则容量大，速度慢，需要通过输入输出设备才能访问。

5.**输入输出系统**：输入输出系统负责计算机与外部世界的联系，包括输入设备和输出设备。

输入设备用于将外部信息输入到计算机中，输出设备用于将计算机的处理结果输出到外部世界。

6.**总线系统**：总线是连接计算机各部件的通信线路，包括数据总线、地址总线和控制总线。

总线系统负责在各部件之间传输数据和控制信号。

以上就是计算机四级计算机组成原理的主要知识点，掌握了这些知识，就能对计算机的基本组成和工作原理有深入的理解。

1. 假设一条指令的执行过程分为“取指令”、“分析”和“执行”三段，每一段的时间分别是△t 、2△t 和3△t 。

在下列各种情况下，分别写出连续执行n 条指令所需要的时间表达式。

⑴ 顺序执行方式。

⑵ 仅“取指令”和“执行”重叠。

⑶ “取指令”、“分析”和“执行”重叠。

答：⑴ 顺序执行方式12 ......1 2 12T ＝∑=++n1i i i i )t t t (执行分析取址＝n(△t ＋2△t ＋3△t)＝6n △t⑵ 仅“取指令”和“执行”重叠12 ......1 212T ＝6△t ＋∑=+1-n 1i i i )t t (执行分析＝6△t ＋(n-1)(2△t ＋3△t)＝(5n ＋1)△t⑶ “取指令”、“分析”和“执行”重叠12 34 ......1 2 3 41234△t2△t3△t△t2△t3△t△t2△t3△tT ＝6△t ＋∑=1-n 1i i )t (执行＝6△t ＋(n-1)(3△t)＝(3n ＋3)△t2. 一条线性流水线有4个功能段组成，每个功能段的延迟时间都相等，都为△t 。

开始5个任务，每间隔一个△t 向流水线输入一个任务，然后停顿2个△t ，如此重复。

求流水线的实际吞吐率、加速比和效率。

答：1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15...1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 151 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 2 3 4 56 7 8 9 10 11 12 13 14 151 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23我们可以看出，在（7n+1）Δt 的时间内，可以输出5n 个结果，如果指令的序列足够长（n →∞），并且指令间不存在相关，那么，吞吐率可以认为满足：)n (t75t )n /17(5t )1n 7(n 5TP ∞→∆=∆+=∆+=加速比为：)n (720n /17201n 7n 20t )1n 7(t 4n 5S ∞→=+=+=∆+∆⨯=从上面的时空图很容易看出，效率为：)n (75n /1751n 7n 5t )1n 7(4t 4n 5E ∞→=+=+=∆+⨯∆⨯=3. 用一条5个功能段的浮点加法器流水线计算∑==101i i A F 。

计算机系统结构计算机系统结构作业1第1章计算机系统结构的基本概念一、解释下列术语：计算机系统结构；计算机组成；计算机实现；透明性；系列机；软件兼容；兼容机；模拟；仿真；虚拟机；宿主机；Amdahl定律；CPI；MIPS；MFLOPS。

【答案】计算机系统结构、计算机组成和计算机实现是三个不同的概念。

系统结构定义为由程序设计者所看到的一个计算机系统的属性，即概念性结构和功能特性，这里的程序设计者所看到的计算机属性是指为机器语言或编译程序设计者所看到的计算机属性，是硬件子系统的概念性结构及其功能特性，它是计算机系统的软、硬件的界面。

计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现，包括机器内部的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。

计算机实现是指计算机组成的物理实现。

透明性：在计算机技术中，一种本来是存在的事物或属性，但从某种角度看似乎不存在，成为透明性现象。

所谓系列机是指在一个厂家内生产的具有相同的系统结构，但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。

不同公司厂家生产的具有相同系统结构的计算机称为兼容机。

软件兼容：在新的计算机系统出台后，原先已开发的软件仍能继续在升档换代的新型号机器上使用，这就是软件兼容。

系列机方法能够在具有相同系统结构的各种机器之间实现软件移植，为了实现软件在不同系统结构的机器之间的相互移植，可以采用模拟和仿真。

模拟方法是指用软件方法在一台现有的计算机上实现另一台计算机的指令系统。

仿真是指用微程序直接解释另一种机器指令系统的方法。

虚拟机是被模拟的机器；宿主机是进行模拟的机器。

Amdahl 定律：系统中某一部件由于采用某种更快的执行方式后整个系统性能的提高与这种执行方式的使用频率或占总执行时间的比例有关。

Fe=（改进前可改进部分占用的时间）/（改进前整个任务的执行时间） Se=（改进前可改进部分的执行时间）/（改进后改进部分的执行时间） 则，改进后整个系统加速比为ee e n S F F s /)1(1+-=。

计算机基础知识什么是输入输出（IO）操作计算机基础知识：什么是输入输出（IO）操作计算机是一种用于处理数据的工具，而输入输出（IO）操作是计算机与外部世界进行数据交流的方式。

通过输入，我们可以将外部的数据传递给计算机进行处理，而输出则是将计算机处理后的数据传递给外部环境。

在本文中，我们将探讨输入输出操作的基础知识。

一、输入输出（IO）的概念输入输出是计算机与外部环境进行数据交流的方式。

输入是指将外部数据传递给计算机，供计算机进行处理和分析；输出则是将计算机处理后的数据传递给外部环境，供人们观察和使用。

在计算机系统中，输入输出设备起到了极为重要的作用。

例如，键盘、鼠标和触摸屏等输入设备用于接收用户的命令和数据，显示器、打印机等输出设备则用于向用户展示计算机处理的结果。

二、输入输出的分类1. 人机交互输入输出：这种输入输出方式主要是通过外部设备与人进行交互。

例如，使用键盘输入文字、鼠标点击图标进行操作、触摸屏选择菜单等。

同时，显示器将结果输出给人们观察。

2. 设备驱动程序输入输出：这种输入输出方式是通过设备驱动程序进行的。

计算机通过设备驱动程序与各类外部设备进行通信。

例如，打印机通过打印机驱动程序与计算机通信，将计算机处理的文档输出。

3. 文件输入输出：文件是计算机中存储数据的一种形式，也是计算机与外部世界交流的一种方式。

我们可以将数据存储在文件中，进行读取和写入操作。

三、输入输出的基本操作在计算机基础中，我们了解到输入输出操作的基本函数包括读取和写入。

读取是指从外部获取数据并传递给计算机进行处理；写入则是将计算机处理的结果传递给外部。

读取函数的基本形式如下：input(data)：从外部读取数据，存储在变量data中。

写入函数的基本形式如下：output(data)：将变量data中的数据写入外部设备，供外部环境使用。

四、输入输出的应用输入输出操作在计算机中得到了广泛的应用。

以下是一些常见的输入输出操作应用场景：1. 数据采集：许多科学实验、气象观测等需要收集大量外部数据，通过输入输出操作，这些数据可以传递给计算机进行进一步的分析和处理。

1. 假设一条指令的执行过程分为“取指令”、“分析”和“执行”三段，每一段的时间分别是△t 、2△t 和3△t 。

在下列各种情况下，分别写出连续执行n 条指令所需要的时间表达式。

⑴ 顺序执行方式。

⑵ 仅“取指令”和“执行”重叠。

⑶ “取指令”、“分析”和“执行”重叠。

答：⑴ 顺序执行方式12 ......1 2 12T ＝∑=++n1i i i i )t t t (执行分析取址＝n(△t ＋2△t ＋3△t)＝6n △t⑵ 仅“取指令”和“执行”重叠12 ......1 212T ＝6△t ＋∑=+1-n 1i i i )t t (执行分析＝6△t ＋(n-1)(2△t ＋3△t)＝(5n ＋1)△t⑶ “取指令”、“分析”和“执行”重叠12 34 ......1 2 3 41234△t2△t3△t△t2△t3△t△t2△t3△tT ＝6△t ＋∑=1-n 1i i )t (执行＝6△t ＋(n-1)(3△t)＝(3n ＋3)△t2. 一条线性流水线有4个功能段组成，每个功能段的延迟时间都相等，都为△t 。

开始5个任务，每间隔一个△t 向流水线输入一个任务，然后停顿2个△t ，如此重复。

求流水线的实际吞吐率、加速比和效率。

答：1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15...1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 151 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 2 3 4 56 7 8 9 10 11 12 13 14 151 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23我们可以看出，在（7n+1）Δt 的时间内，可以输出5n 个结果，如果指令的序列足够长（n →∞），并且指令间不存在相关，那么，吞吐率可以认为满足：)n (t75t )n /17(5t )1n 7(n 5TP ∞→∆=∆+=∆+=加速比为：)n (720n /17201n 7n 20t )1n 7(t 4n 5S ∞→=+=+=∆+∆⨯=从上面的时空图很容易看出，效率为：)n (75n /1751n 7n 5t )1n 7(4t 4n 5E ∞→=+=+=∆+⨯∆⨯=3. 用一条5个功能段的浮点加法器流水线计算∑==101i i A F 。

第一章1、计算机系统多级层次结构从高到低：（6级）应用程序计算机、高级语言、汇编语言、操作系统、机器语言、微机程序控制、（0级）硬联逻辑计算机。

第0级由硬件实现，第1级由微程序（固件）实现，2—6级机器由软件实现。

2、透明性现象：一种本来存在的有差异的事物或属性，从某种角度来看似乎不再存在。

3、计算机组成是计算机系统的逻辑实现；计算机实现是计算机组成的物理实现。

4、计算机系统结构是计算机系统的软、硬件的界面；系统结构、组成和实现所包含的具体内容第随不同机器而变化的，且三者之间的界限越来越模糊。

5、系统结构分类①按“流”分：SISD单指令流单数据流，SIMD单指令流多数据流，MISD多指令流单数据流，MIMD多指令流多数据流。

Flynn分类法：按指令流（机器执行的指令序列）和数据流（指令流调用的数据序列，include输入数据和中间结果）的多倍性（指在系统最受限制的原件上同时处于同一执行阶段的指令或数据的最大可能个数）概念进行分类。

缺点：对于标量及向量流水计算机应属于哪一类系统，不是很明确。

②按“并行级”和“流水线”分类：程序控制部件PCU的个数是K，算术逻辑部件ALU/处理部件PE的个数是d，每个ALU包含基本逻辑线路ELC 的套数是w。

T系统型号=（k，d，w）。

③按“并行度”分类：WSBS字串位串，WPBS字并位串，WSBP字串位并，WPBP字并位并。

6、*Amdahl定律：系统中某一部件由于采用某种更快的执行方式后整个系统性能的提高取决于这种执行方式的使用频率或占总执行时间的比例。

实际上定义了加快某部分功能处理后，整个系统所获得的性能改进或执行时间的加速比的大小。

加速比与两个因素有关：一是计算机执行某个人物的总时间中可被改进部分的时间所占的百分比，Fe=可改进部分占用的时间/改进前整个任务的执行时间，它总小于1；二是改进部分采用改进措施后比没有采用改进措施前性能提高倍数，Se=改进前改进部分的执行时间/改进后改进部分的执行时间，它总大于1。

第1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）。

6. 画出计算机硬件组成框图，说明各部件的作用及计算机系统的主要技术指标。

答：计算机硬件组成框图如下：控制器运算器CPU主机存储器输入设备接口输出设备接口外设各部件的作用如下：控制器：整机的指挥中心，它使计算机的各个部件自动协调工作。

运算器：对数据信息进行处理的部件，用来进行算术运算和逻辑运算。

存储器：存放程序和数据，是计算机实现“存储程序控制”的基础。

输入设备：将人们熟悉的信息形式转换成计算机可以接受并识别的信息形式的设备。

输出设备：将计算机处理的结果（二进制信息）转换成人类或其它设备可以接收和识别的信息形式的设备。

计算机系统的主要技术指标有：机器字长：指CPU一次能处理的数据的位数。

通常与CPU的寄存器的位数有关，字长越长，数的表示范围越大，精度也越高。

机器字长也会影响计算机的运算速度。

数据通路宽度：数据总线一次能并行传送的数据位数。

存储容量：指能存储信息的最大容量，通常以字节来衡量。

一般包含主存容量和辅存容量。

运算速度：通常用MIPS（每秒百万条指令）、MFLOPS（每秒百万次浮点运算）或CPI（执行一条指令所需的时钟周期数）来衡量。