补充材料1硬件系统概述

2算机硬件系统概基础知计算机的发19462ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAnd4 用机器语言；可以信息；运行速度慢。 磁心器；用汇编语言取代机器语言。 晶体管；采用半导体器；使用了操作系统等。第四代计算机（1972年〜现在）——超大规模集成电路时代。主要特点：采用集成度很采用 8088处理器的微型计算机IBMPC和IBMPC/XT为第一代微型计算机采用In80286处理器的微型计算机IBMPC/AT为第二代微型计算机（简称286机采用 80386处理器的微型计算机为第三代微型计算机（简称386机釆用In80486处理器的微型计算机为第四代微型计算机（简称486机Pentium计算机的特点及应计算方法科学。计算方法由程序体现，一个算法正确且优质的程序，再加上数的计算功上。其中，计算机辅助技术包含计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）计算机的类型及发展方分为计算机和通用计算机通用计算机又可分为巨型机大型机中型机小型机图形工作站、7类。多化计算机系统的组2.1处理处理ROM(只读 扫描

2.1计算机系统的组计算机系统的层次结2.2134级是汇编语言级，它给程序人员提供一种符号形式语言，以减少程序编写的复杂5543 系统软212.2计算机系统的层次结构示意在如图2.2所示的多级结构中，将除硬件系统(1层和第2层)之外的上面3个层次称层次划分也不是。计算机的硬件系（1）程序的概计算机（指硬件）由运算器、器、控制器、输入设备和输出设备5大基本部件将编好的程序和原始数据事先存入器中，然后再由计算机自动执行，使计算机在不需要人工干预的情況下，自动、告诉地从器中取出指令加以执行，这就是前面介绍的四代计算机都是建立在程序概念的基础上的按照这个基本原理建立起来的计算机统称为冯·5大部件：器、、、2.3器器输入设输入设 输出设2.3计算机硬件系统的基本组①②运算器寄存器、累加器及单元的长度应与ALU（算术逻辑运算部件）的字长相等或者是它的③控制器外器也是计算机中重要的外部设备它既可以作为输入设备也可以作为输出设备计算机的软件系—6类。操作系语言处理程3种。汇编程序的功能是把用汇编语言标准库程服务性程（也称工具软件数据库管理系计算机网络软软件与硬件的关冯•结构及特在计算机的各个基本部件中，通常把运算器和控制器合在一起称为处理器（CPU),还把CPU、器和输入输出接口电路合在一起构成的处理系统称为主机。设备一般算机科学家冯•等人在早期计算机设计中采用的结构，而且在后来的计算机中不断沿用，被称为冯•结构。。程序的工作方式，程序中的各条指令按顺序串行地执行程序方式是指计算机完。地完成操作。计算机中的程序和数据都是二进制形式的代码。运算器的基本功运算器是完成运算功能的部件，主要包括算术逻辑单元和寄存器。其功能如下器的类型和操器是程序和数据的部件，包括主器和辅助器（2）辅助器：主机外部的器，CPU不能直接。当CPU需要存放在外写操作：将数据放入某个单元中，称为写操作读操作：将单元中的数据取出，称为读操作。读操作和写操作统称为对器的。计算机硬件系统研究的内(1)计算机实、从逻辑角度研究计算机系统中各个组成部分的构成方法，包括数据通路的构成系、(3)计算机系统结冯•结构计算机主要的外特冯•结构计算机的主要特性有以下几点指令和数据都以字的方式存放在同一器中，然后才能运行，从数据和指令本身器是一个一维的空间，二维或者的数据要映射到这个一维的空间使用低级及其语言，指令和数据以二进制形式表示CPU影响计算机系统结构的因（1)（2)（3)（4)间的不平衡性也导致了系统结构的变化。如CPU何器速度之间的差异导致了高速缓（Cache）的出现。此外，器件的发展还影响到计算机系统的开发计算机性能评价的方3分析的方模拟的方测试的方简单的计算机性能分CPUTCPUTCPUININ表示要执行程序中的指令总数，CPITCCPI是各种指令CPI的平均，可由下式表示nnCPIiCPIi IiiCPIii类指令所需的平均时钟周期数，n为程序中所有的指令种类数，RC为TC的倒数。MIPST

TE=TCPU,CPU的执行时间。RCTC的倒数，上式还反MIPSCPI的关系。MFLOPS

ETE由于程序中浮点运算所占的比例各不相同，MFLOPSMFLOPS指标MFLOPS值。计算机性能评计算机系统性能的衡量尺度是响应时间和吞吐CPU，吞吐率可表示为每秒钟可执行的指计算机的性能评价有峰值性能和持续性能两个（1)它是指计算机在商业金融贸易等应用场合的处理方式一般运行大型数据库，计算机性能测试方（1)用于测试计算机性能的工作负载类型有指令混合、程序、合成程序和应用测试从实际应用程序中提取出的运行时间最长的部分，代表应用程序中的常用操作（2)标准化的性能测试程序通常由一组程序合成程序和应用测试程序构成如PEC95对这些数据进行统计的方法有算术平均几何平均和调3A1R111(11...1 n i1

nn(nn(Riin niTi

1/

1/Gm

...nnHmn1nn

T

... i1 i 的算术平均值 nAmwiRii

i1 的几何平均值nGRwRwRw... i1 的调和平均值11Hmnw11

wTw

...w

1 2 ni1

ih上 平均值表达式中wi1不同的基准测试程序采用不同的统计方法如i采用调和平均，iCOMP计算机主要性能指一个主器所能的全部信息称为主存容量它是用每秒能执行的指令条数来表示，单位是条数/秒。MIPS典型例例 X3Y3台计算机的相对性能。表2-1用两个基准测试程序对3台计算机进试所获得的运行速度值基准测试程计算计算计算2-1B1，YX机的一半，但对基准测试程B2，Y机速度为X机的一倍。类似的，对B1，Z机速X机的一倍，对B2，Z机XX2-2所示的相对性能值2-2课件，根据算术平均值Am,Y机和Z机速度均比X机要快25%；而根据几何平均值，3台计算机的性能一样。2-2X机为基准进行折算得到的相对性能基准测试程计算计算计算如果以Y2-3所示的结果值。由该结果值可知，根据算术平均值Am，现在X机速度比Y机快25%，Z机似乎更快；而根据几何平2-3Y机为标准来计算相对性能值所得到的结基准测试程计算计算计算2.240MHz的处理机执行标准测试程序，它所包含的混合指令数和相应所需2-4CPI，MIPS速率和程序的执行时间。表2-4包含的混合指令数和响应所需的时钟周指令类指令混合1

转 存CPI的计算采用平均的方法，权重就是每种指令出现的概率，即指令混合比。CPI=1×602×18%+4×12%+8×10%=2.24MIPS速率2.340MHz处理机执行标准测试程序，它所包含的混合指令数和相应所需的2-5CPI，MIPS速率和程序的执行时间。表2-5包含的混合指令数和响应所需的时钟周指令类指令时钟周期12上述指令总数为45000 =100000条4种指令的使用比例分别为45%、32%、15%和8%。MIPS速率=40/1.55=25.8程序的执行时间 ×1.55/(40×106)=3.875×10-3（秒2.415MHz10MIPS混合程序。假定每次器存取周期为1的延迟，试问CPI取需要2个周期。如果30%的指令中每条只需1次器存取，而另外的5%的每条需2次CPIMIPS1CPICPI=1.5+0.30×(2-1)+0.05×2×(2-根据MIPS计算，可得例2.5某台计算机只有Load/Store指令能对器进行读/写操作，其他指令只对寄存器进行操作。根据程序实验的结果，已知每种指令所占的比例及CPI数如表2-6所示求表中所列情况下的平均CPI假设程序由M条指令组成。在算术逻辑运算中，25%的指令两个操作数中的一个已在寄存器中另一个必须在算术逻辑指令执行前用Load指令从器中取到寄存器中。自器，即寄存器-器类型，假设这种指令的CPI等于2，同时，转移指令的CPI变3CPI。表2- 每种指令所占的比例及CPI指令类指令所占比例1Load2Store指22CPI75%43%×75%=33.25%；25%43%×25%=10.75%；Store指令的数量占12%，转移指令占24%。在新的指令系统中，Load指令的个数将减少，总指令数减为原来总数的1-Load指令为：10.25%/89.25%=11.48%，CPI2；Store指令为：12%/89.25%=13.45%，CPI为转移指令为：24%/89.25%=26.89%，CPICPICPI=36.13%×1+(12.04%+11.48%+13.45)×2CPI值增加，CPU例2.6假定某计算机有以下：25%；CPICPICPI20。CPI3。比较这两种设计方案。CPI(4×25%)+(1.33×75%)CPICPI(3×25%)+(1.33×75%)例2.7冯.计算机体系结构的基本思想是什么？按此思想设计的计算机硬件系统本题考查的是程序的概念、计算机硬件系统的组成冯.计算机体系的基本思想是：程序，即将用指令序列描述的解题的程序与原始数据一起，到计算机中。计算机只要一启动，就能自动地一次取出一条条指令并按此思想设计的计算机硬件系统包含：运算器、控制器、器、输入设备和输出设驱动计算机的各部件按节拍完成程序规定的操作内容；器用来存放程序、数据2.8外，电子计算机采用了程序的设计思想。通用性。即计算机处理的信息不仅可以是数值数据，也可以是非数值数据逻辑性。逻辑判断与逻辑运算是计算机的基本功能之一例2.9按照冯.原理，现代计算机应具备哪些功能按照冯.原理，计算机必须具有如下功能(2)功能。计算机应能够“记住”原始数据和解题步骤以及解题过程中的一些中间计算功能。计算机应能完成人们所需要的计算自我控制能力。计算机应能保证程序执行的正确性和各部件之间的协调性例2.10计算机硬件由5个基本部分组成，包括 该题为比较简单的填空题，只需要了解冯.体系结构，就可以正确地填写。答案为：运算器控制器器输入设备输出设备例2.14计算机软件总体上分为两大类，一类为 软件，而WindowsXP属于 软件、多处理软件、计算机辅助软件等，还包括用户自行编制的软件。所以本题答案为：系 应用应 系CAI为计算机辅助教学软件，属于应用软件；WindowsXP为操作系统，属于系统软例2.11能被计算机直接识别的语言 A．汇编语 B.机器语C．高级语 D.应用语3类语言B。例2.12计算机系统中的器是 B.C．主 D.主器和辅助系统中的器包括主器和辅助器。主器一般采用半导体器件实现，它位于主板之上，通过系统总线与CPU连接，用于存放正在运行的程序和数据。主器的特点是容量小、速度快、断电后数据将丢失。辅助器一般采用磁表面器或光和数据。辅助器的特点是容量较大、速度慢、可永久性保存数据。所以答案为D本章附录：计算机硬件系统涉及的基本概控制器、器、输入设备和输出设备组成。【运算器】：由算术逻辑单元（ALU）和寄存器组成的器件【器】：用于程序和数据的器件，通常分为主器和辅助器容不变，这样的器，称为读器。【写器】：除了地址和写信号之外还要提供写数据，数据写入指定的地址后将替换原来的数据，这样的器，称为写器。【处理器】：运算器和控制器集成在一起形成的部件处理各种中断、并为用户提供操作界面的系统软件。其主要功能有管理、命令处理和设【CPU】：即处理器(CentralProcessingUnit)，由运算器和控制器组成的器件【ALU】：即算术逻辑单元(ArithmeticandLogicUnit,ALU)，它是运算器中具体完成算术运【主机】：由CPU、器和输入输出接口组成的计算机硬件系统的【设备】：是指计算机硬件系统中除主机之外的所有设备，包括主机外设、【单元地址】：是用二进制编码表示的对主器各单元统一的编号01【字节】：是计算机的最小单元，一个字节包括8个二进制位【指令流】：在计算机工作过程中，在器与CPU之间形成的不断传递的指令序列【数据流】：在计算机工作过程中，在器与CPU之间形成的不断传递的数据序列【主器】：计算机主机内部的器【辅助器】：CPU不能直接的主机外部的器【并行性】：是指在同一时刻成两一时间间隔内发生两个或两个以上的特性【并发性】：两个或两个以上的在同一时间间隔内发生的特性【ROM】：即只读器。内容固定，只能而不能写入的器【RAM】：即随机器。数据读写时间均相等，与数据的位置无关的器【SRAM】：即静态器。是一种数据读写速度较