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计算机组成原理期末复习 内容总结.pdf
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第一章 计算机系统概论
1、基本概念
硬件:是指可以看得见、摸得着的物理设备(部件)实体,一般
讲硬件还应包括将各种硬件设备有机组织起来的体系结构。
软件:程序(代码)+ 数据 + 文档。由两部分组成,一是使计
算机硬件能完成运算和控制功能的有关计算机指令和数据定义
的组合,即机器可执行的程序及有关数据;二是机器不可执行的,
与软件开发、过程管理、运行、维护、使用和培训等有关的文档
资料。
固件:将软件写入只读存储器 ROM 中,称为固化。只读存储器及
其写入的软件称为固件。固件是介于硬件和软件之间的一种形
态,从物理形态上看是硬件,而从运行机制上看是软件。
计算机系统的层次结构: 现代计算机系统是由硬件、软件有机
结合的十分复杂的整体。在了解、分析、设计计算机系统时,人
们往往采用分层(分级)的方法,即将一个复杂的系统划分为若
干个层次,即计算机系统的层次结构。最常见的是从计算机编程
语言的角度划分的计算机系统层次结构。
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虚拟计算机:是指通过配置软件扩充物理机(硬件/固件实现)
功能以后所形成的一台计算机,而物理机并不具备这种功能。虚
拟机概念是计算机分析设计中的一个重要策略,它将提供给用户
的功能抽象出来,使用户摆脱具体物理机细节的束缚。
2、计算机的性能指标。
1 吞吐量:表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息
量,用 bps 度量。
2 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。
3 利用率:在给定的时间间隔内,系统被实际使用的时间所在的
比率,用百分比表示。
4 处理机字长:常称机器字长,指处理机运算中一次能够完成二
进制运算的位数,如 32 位机、64 位机。
5 总线宽度:一般指 CPU 从运算器与存储器之间进行互连的内部
总线一次操作可传输的二进制位数。
6 存储器容量:存储器中所有存储单元(通常是字节)的总数目,
通常用 KB、MB、GB、TB 来表示。
7 存储器带宽:单位时间内从存储器读出的二进制数信息量,一
般用 B/s(字节/秒)表示。
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8 主频/时钟周期:CPU 的工作节拍受主时钟控制,按照规定在
某个时间段做什么(从什么时候开始、多长时间完成),主时钟
不断产生固定频率的时钟信号。主频(主时钟的频率)度量单位
是 MHZ、GHZ;时钟周期(主频的倒数)度量单位是微秒、纳秒。
9 CPU 执行时间:表示 CPU 执行一段程序所占用的 CPU 时间,可
用下式计算
CPU 时间=CPU 时钟周期数 X CPU 时钟周期长。
10 CPI:执行一条指令所需要的平均时钟周期数,可用下式计算
CPI=执行某段程序所需的 CPU 时钟周期数/该程序包含的指
令条数。
11 MIPS:平均每秒执行多少百万条定点指令数,用下式计算
MIPS=指令条数 /(程序执行时间 × 106)
12 FLOPS:平均每秒执行浮点操作的次数,用来衡量机器浮点操
作的性能,用下式计算
FLOPS=程序中的浮点操作次数/程序执行时间(秒)
3、计算机硬件系统的概念性结构,各个部分的作用。
(1)计算机硬件系统由运算器、控制器、内存储器、输入设备、
输出设备五大部分构成,一般还要包括它们之间的连接结构(总
线结构);
(2)将运算器、控制器、若干的寄存器集成在一个硅片上,称
为中央处理器 CPU;
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(3)由于输入设备、输出设备与 CPU、内存的处理速度差异,
所以输入、输出设备通过适配器与总线、CPU、内存连接;
(4)概念性结构如下图所示;
运
(5)控制器的作用有三个方面:存储程序控制方式(指令控制)、
操作控制、时间(时序)控制。基本任务如下:
从内存储器中按一定顺序取指令
译码(翻译)、产生控制信号
控制取操作数(源操作数、目的操作数)
控制执行(运算)
控制保存结果
形成下条指令地址(顺序、转移)
(6)运算器的作用:由算术逻辑运算部件 ALU、寄存器、数据
通路组成。实现数据的加工和处理(算术运算、逻辑运算、移位
运算、关系(比较)运算、位运算);
(7)存储器的作用:存储程序和数据,记忆部件;
(8)适配器的作用:在主机与 I/O 设备之间起数据缓冲、地址
识别、信号转换等;
算
器
CPU
存储器
适配器 适配器 适配器
控
制
器
寄
存
器
组
输入设备 输出设备
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(9)总线的作用:多个部件分时共享的信息传送通路,用来连
接多个部件并为之提供信息传输交换服务。
(注:后续章节还会逐步扩充)
4、指令流、数据流?计算机如何区分指令和数据?
指令流:在取指周期中从内存中读出的信息流称为指令流,
它通过总线、CPU 内部数据通路流向控制器。
数据流:在执行周期中从内存中读出的信息流称为数据流,
它通过总线、CPU 内部数据通路流向运算器。
从时间上来说,取指令事件发生在取指周期(取指令阶
段),取数据事件发生在执行周期(执行指令阶段);
从空间(处理部件) 上来说,指令一定送给控制器,数据一
定送给运算器。
5、冯·诺依曼计算机的技术特点
由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部分
构成计算机硬件系统概念结构;
采用二进制代码表示数据和指令;
采用存储程序控制方式(指令驱动)。
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