第一章 計算機系統概述
了解計算機的發展歷程
搞清楚計算機的系統層次結構
計算機硬件的基本組成(五大部件)
計算機軟件的分類
計算機的基本工作過程
了解計算機性能評價指標和相關參數吞吐量、響應時間;CPU時鍾周期、主頻、CPI、CPU執行時間;MIPS、MFLOPS等。
1.計算機系統設計的定量原理
1. 大概率事件優先原則
對於大概率事件（最常見的事件），賦予它優先的處理權和資源使用權，以獲得全局的最優結果。
2. Amdahl定律（阿姆達爾定律）
加快某部件執行速度所獲得的系統性能加速比，受限於該部件在系統中所占的重要性。
2.加速比
系統加速比依賴於兩個因素：
可改進比例：可改進部分在原系統計算時間中所占的 比例，它總是小於等於１的。
例如: 一個需運行60秒的程序中有20秒的運算 可以加速，那么該比例就是20/60。
部件加速比：可改進部分改進以后的性能提高，一般情況下它是大於１的 。
例如: 系統改進后執行程序，其中可改進部分花費2秒的時間，而改進前該部分需花費5秒，則性能提高為5/2。
總執行時間改進后 = 不可改進部分的執行時間 + 可改進部分改進后的執行時間
例1.1】將計算機系統中某一功能的處理速度加快10倍，但該功能的處理時間僅為整個系統運行時間的40%，則采用此增強功能方法后，能使整個系統的性能提高多少？
解：由題可知，可改進比例Fe＝ 40%＝0.4，部件加速比Se＝10，根據Amdahl定律可知：
系統加速比 = 
整個系統的性能提高到原來的1.5625倍。
3.CPU的性能
(1)將程序執行的時間進行分解
1) 計算機工作的時鍾頻率
計算機系統中與實現技術和工藝有關的因素。單位是MHz(f)。
2) 總時鍾周期數
程序執行的CPU時間 : CPU時間 = 總時鍾周期數 / 時鍾頻率
(2)“指令時鍾數”CPI(Cycles Per Instruction)
一個與計算機體系結構有關的參數。
CPI = 總時鍾周期數 / IC
IC：程序執行過程中所處理的指令數。
(3)程序執行的CPU時間可以寫成
總CPU時間 = CPI * IC / 時鍾頻率
◆ 時鍾頻率：反映了計算機實現技術、生產工藝和計算機組織。
◆ CPI：反映了計算機實現技術、計算機指令集的結構和計算機組織。
◆ IC：反映了計算機指令集的結構和編譯技術。
(4)對CPU性能公式進行進一步細化
假設：計算機系統有n種指令；
CPIi ：第i種指令的處理時間；
ICi ：在程序中第i種指令出現的次數；
則程序執行時間為
其中：(ICi / IC)反映了第i種指令在程序中所占的比例。
4.計算機系統的性能評價
（1）MIPS 表示每秒處理的百萬級的機器語言指令條數。MIPS的定義為：
（2）MFLOPS 表示每秒處理的百萬級浮點指令條數。對於一個給定的程序，MFLOPS的定義為：
5.本章小結
1.計算機主要指數字計算機，通常分為專用計算機和通用計算機兩大類。專用和通用是根據計算機的效率、速度、價格、運行的經濟性和適應性來划分的。
2.計算機的生命在於它的廣泛應用，應用的范圍幾乎涉及人類社會的所有領域。
3.計算機的硬件是指構成計算機的各類有形的電子器件，它包括運算器、存儲器、控制器、適配器、輸入輸出設備等。傳統上將運算器+控制器稱為ＣＰＵ，而將ＣＰＵ+ 存儲器稱為主機。
4.目前大多數計算機為馮·諾依曼型結構，其特點為：根據存儲程序、按地址順序執行程序（指令），直至完成任務。
5.計算機軟件一般分為系統程序和應用程序兩大類。系統程序用來簡化程序設計，簡化使用方法，提高計算機的使用效率，發揮和擴大計算機的功能和用途，它包括：(1)各種服務程序，(2)語言類程序，(3)操作系統，(4)數據庫管理系統。而應用程序則是針對某一應用需求所開發的軟件。
6.計算機系統是一個由硬件、軟件組成的多級層次結構系統，它通常由微程序級、一般機器級、操作系統級、匯編語言級、高級語言級組成，每一級上都能進行程序設計，並且可得到下面各級的支持。
7.計算機體系結構是指程序員所看到的一個計算機系統的屬性，主要研究硬件和軟件功能的划分，確定硬件和軟件的界面。計算機體系結構、計算機組成和計算機實現是三個不同的概念，各自有不同的含義，但是又有着密切的聯系。
6.例題
（2009）
11.馮·諾依曼計算機中指令和數據均以二進制形式存放在存儲器中，CPU 區分它們的依據是
A.指令操作碼的譯碼結果
B.指令和數據的尋址方式
C.指令周期的不同階段
D.指令和數據所在的存儲單元
答案：C
考點：馮諾依曼思想的基本概念
（2010）
12.下列選項中，能縮短程序執行時間的措施是( )
1.提高CPU時鍾頻率
2.優化通過數據結構
3.優化通過程序
A.僅1和2 B.僅1和3
C,僅2和3 D.1,2,3
答案：D
(2011)
12．下列選項中，描述浮點數操作速度指標的是
A．MIPS B．CPI
C．IPC D．MFLOPS
答案：D
(2012)
假定基准程序 A 在某計算機上的運行時間為 100 秒,其中 90 秒為 CPU 時間,其余為 I/O 時間。若 CPU 速度提高 50%，I/O 速度不變，則運行基准程序 A 所耗費的時間是( )
A. 55 秒 B. 60 秒
C. 65 秒 D. 70 秒
答案：D
令原始主頻為f，則原始時鍾周期T＝1/f。CPU速度提高50%，則f’=1.5f，故T’=1/(1.5f)=2/(3f)
CPU執行時間t＝CPU時鍾周期數C×CPU時鍾周期T,
CPU運行的時鍾周期數C不變，則t與T成正比。故t’=(2/3)t=90×(2/3)=60(s)
基准程序A所耗費的時間＝60+10＝70(s)
(2013)
12 、某計算機主頻為 1.2GHz，其指令分為 4 類，它們在基准程序中所占比例及 CPI 如下表所示。該機的 MIPS 數是
A. 100 B. 200
C. 400 D. 600
答案：C
解析：基准程序的CPI=2*0.5+3*0.2+4*0.1+5*0.2=3，計算機的主頻為 1.2GHz，為1200MHz，該機器的是 MIPS 為 1 200/3=400。
(2014)
12. 程序P在機器M上的執行時間是20秒，編譯優化后，P執行的指令數減少到原來的70%，而CPI增加到原來的1.2倍，則P在M上的執行時間是
A 8.4秒 B 11.7秒 C 14秒 D 16.8秒
答案：D
解析：總CPU時間 = CPI *IC（指令條數）/f(時鍾頻率)
這樣我們能夠得到這樣一個式子 20=CPI*IC/f ①
設編譯后的總CPU時間為X
那么x=1.2*CPI*0.7*IC/f ②
由於是同一台機器，時鍾頻率不會改變
兩個式子相聯得到x=1.2*0.9*20
(2015)
計算機硬件能夠直接執行的是（） Ⅰ．機器語言程序 Ⅱ．匯編語言程序 Ⅲ．硬件描述語言程序
A．僅Ⅰ B．僅Ⅰ Ⅱ
C．僅Ⅰ Ⅲ D．ⅠⅡ Ⅲ
答案： A
解析：用匯編語言等非機器語言書寫好的符號程序稱源程序,運行時匯編程序要將源程序翻譯成目標程序，目標程序是機器語言程序
1、完整的計算機系統應包括（）
A運算器、存儲器、控制器
B外部設備和主機
C主機和實用程序
D配套的硬件設備和軟件設備
答案： D
2、馮。諾依曼機工作方式的基本特點是（）
A多指令流單數據流
B按地址訪問並順序執行指令
C堆棧操作
D存儲器按內容選擇地址
答案： B
3、存儲單元是指（）
A存放一個字節的所有存儲元集合
B存放一個存儲字的所有存儲元集合
C存放一個二進制信息位的存儲元集合
D存放一條指令的存儲元集合
答案： B
4、存儲字是指（）
A存放在一個存儲單元中的二進制代碼組合
B存放在一個存儲單元中的二進制代碼位數
C存儲單元的集合
D機器指令
答案： A
5、（）可以區分存儲單元中存放的是指令還是數據
A、存儲器 B、運算器 C、控制器 D、用戶
答案： C