1.2-1.3考研408计算机组成原理第一章 计算机系统概述
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。
六、附录:思维导图
中心主题:计算机系统概述
分支详解
一、硬件系统组成
二、冯·诺依曼体系
三、性能指标详解
关键知识点关联
易错点提示
- 主频误区:3.0GHz主频≠实际速度,需考虑IPC和流水线效率
- 存储层次:寄存器(最快) > Cache > 主存 > 磁盘(最慢)
- 指令执行:现代CPU采用流水线技术,实际是并发执行而非严格顺序
使用说明
- 生成工具:推荐使用 Markmap 或 MindForger 转换为可视化导图
- 层级规范:通过缩进控制层次(2空格=子节点,4空格=孙节点)
- 扩展方法:可添加

插入原理图 - 协作编辑:推荐使用Typora+Git进行版本管理
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