计算机组成原理第一章 计算机系统概述
一、计算机的层次结构
1.1 计算机系统组成
计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分构成：
- 硬件系统：包括运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大核心部件（冯·诺依曼体系结构）。
- 软件系统：分为系统软件（如操作系统、编译程序）和应用软件（如办公软件、游戏）。
冯·诺依曼体系的核心思想
- 存储程序：程序和数据以二进制形式存放在存储器中，按地址访问。
-
五大功能部件：
- 运算器：执行算术和逻辑运算。
- 控制器：协调各部件工作，控制指令执行流程。
- 存储器：按地址存储程序和数据。
- 输入设备：将外部信息转换为二进制数据。
- 输出设备：将运算结果转换为人类可识别形式。
层次化结构
计算机系统可分为以下层次（从底层到高层）：
- 微程序机器层：通过微指令控制硬件操作。
- 传统机器语言层：CPU直接执行的机器指令。
- 操作系统层：提供资源管理和用户接口。
- 汇编语言层：通过汇编程序转换为机器指令。
- 高级语言层：如C、Java等，通过编译器转换为机器语言。
1.2 计算机层次结构示意图
二、计算机的性能指标
2.1 基本性能指标
| 指标名称 | 定义与公式 | 单位 | 易错点 |
|---|---|---|---|
| 吞吐量 | 单位时间内处理的指令或数据量 | 指令/秒 | 区分实际吞吐量与理论峰值 |
| 响应时间 | 从输入到输出的时间延迟 | 秒（s） | 包含传输延迟和处理延迟 |
| 主频 | CPU时钟频率 | GHz | 主频≠实际速度（受流水线、IPC影响） |
| CPI | 执行单条指令平均所需的时钟周期数 | 周期/指令 | CPI=1时性能最佳 |
| MIPS | 每秒执行百万条指令数 | MIPS | 仅适用于相同指令集的比较 |
| FLOPS | 每秒浮点运算次数 | FLOPS | 科学计算场景专用指标 |
2.2 存储系统性能指标
-
存储容量：
- 主存容量：通常以字节数表示（如8GB=2³⁰ B）。
- 存储字长：每个存储单元的二进制位数（如64位）。
-
存储器带宽：
- 公式：
带宽 = 存储字长 × 总线频率。 - 单位：字节/秒（B/s）或位/秒（bps）。
- 公式：
-
访问时间：
- 读写时间：从发起请求到数据返回的时间。
- 存取周期：完成一次读写操作的最小时间间隔。
2.3 性能指标真题解析
真题1（2023年408统考）
题目：某计算机主频为3.0GHz，CPI为2.5，执行10⁹条指令所需时间为（ ）。
A. 0.83秒 B. 1.25秒 C. 1.67秒 D. 2.5秒
解析：
- 公式：CPU执行时间 = (指令数 × CPI) / 主频
- 计算：
(10⁹ × 2.5) / 3.0×10⁹ = 0.83秒 - 答案：A
- 易错点：混淆主频单位（GHz需转换为Hz）。
真题2（2022年408统考）
题目：下列哪项不是衡量总线性能的指标？
A. 总线带宽
B. 总线时钟频率
C. 总线传输速率
D. 总线寻址能力
解析：
- 总线带宽 = 数据宽度 × 总线频率。
- 总线寻址能力属于总线功能，而非性能指标。
- 答案：D。
三、易错点与高频考点
3.1 易混淆概念对比
| 概念 | 定义 | 常见混淆点 |
|---|---|---|
| 机器字长 | CPU一次处理的二进制位数 | ≠指令字长（如x86指令可变长） |
| 存储字长 | 存储单元存储的二进制位数 | 可能与机器字长相等或不同 |
| 指令字长 | 单条指令的二进制编码长度 | 可能为1、2、4字节等 |
3.2 高频选择题考点
考点1：总线类型
题目：以下总线中，不属于系统总线的是（ ）。
A. 数据总线
B. 地址总线
C. 控制总线
D. USB总线
答案：D
解析：USB属于外部总线，系统总线仅含数据、地址、控制总线。
考点2：存储层次
题目：下列存储部件中，速度最快的是（ ）。
A. 寄存器
B. 高速缓存
C. 主存
D. 硬盘
答案：A
解析：寄存器位于CPU内部，访问速度最快。
四、综合应用题
4.1 性能优化分析
场景：某程序在单核CPU上运行时间为10秒，若采用4核CPU且并行度为75%，求加速比。
- 公式：加速比 = 原时间 / (原时间 × (1 - 并行度) + 并行时间)
-
计算：
10 / (10×0.25 + 10×0.75/4) ≈ 3.33 - 结论：加速比受并行度限制，无法线性提升。
五、扩展阅读
5.1 现代计算机体系结构演进
- 多核处理器：通过增加核心数提升并行能力。
- 异构计算：结合CPU、GPU、FPGA等不同架构。
- 存储墙问题：内存带宽成为性能瓶颈，需采用3D堆叠技术。