2024年計(jì)算機(jī)組成原理考研真題與典型題詳解

第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述1.1知識(shí)要點(diǎn)總結(jié)一、計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程，層次結(jié)構(gòu)1．計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程（1）從計(jì)算機(jī)問(wèn)世到現(xiàn)在，計(jì)算機(jī)一共發(fā)展了四代。第一代為電子管計(jì)算機(jī)，采用電子管作為邏輯元件，使用機(jī)器語(yǔ)言編程，主存用延遲線或磁鼓，運(yùn)行速度慢，每秒幾千到幾萬(wàn)次。第二代為晶體管計(jì)算機(jī)，采用晶體管作為邏輯元件，開(kāi)始出現(xiàn)高級(jí)程序語(yǔ)言，并且出現(xiàn)了操作系統(tǒng)的萌芽，主存使用磁芯存儲(chǔ)器，速度提升到每秒幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)次。第三代為中小規(guī)模集成電路，采用中小規(guī)模集成電路作為邏輯元件，高級(jí)語(yǔ)言發(fā)展迅速，出現(xiàn)分時(shí)操作系統(tǒng)，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器出現(xiàn)取代磁芯，運(yùn)行速度進(jìn)一步提高。第四代為超大規(guī)模集成電路時(shí)代，采用超大規(guī)模集成電路作為邏輯元件，產(chǎn)生了微處理器，并行流水線，虛擬存儲(chǔ)器，高速緩存等。（2）摩爾定理：當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路板上的晶體管數(shù)目，約18個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能提升一倍。（3）計(jì)算機(jī)分類：電子模擬計(jì)算機(jī)和數(shù)字計(jì)算機(jī)。數(shù)字計(jì)算機(jī)分為通用機(jī)與專用機(jī)。（4）計(jì)算機(jī)發(fā)展趨勢(shì)：往兩極化發(fā)展，微型計(jì)算機(jī)，更微型化，網(wǎng)絡(luò)化，高性能多用途。巨型機(jī)則更加巨型化，超高速，并行處理，智能化發(fā)展。2．計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)（1）早期的馮諾伊曼機(jī)硬件系統(tǒng)由運(yùn)算器，存儲(chǔ)器，控制器，以及輸入設(shè)備，輸出設(shè)備構(gòu)成。圖1-1 典型的馮諾依曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)在馮諾依曼結(jié)構(gòu)體系中將運(yùn)算器作為核心，以“存儲(chǔ)程序”的基本思想設(shè)計(jì)。將程序輸入到計(jì)算機(jī)中，存儲(chǔ)在內(nèi)存中，執(zhí)行時(shí)從存儲(chǔ)器上一條一條的取出指令，執(zhí)行指令。在早期的馮諾依曼體系中，控制器控制其他幾個(gè)部件，運(yùn)算器可以與存儲(chǔ)器，輸入設(shè)備，輸出設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。（2）現(xiàn)代計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的基本設(shè)計(jì)思想未變，還是遵循馮諾依曼的存儲(chǔ)程序的思想，但是由于電子技術(shù)進(jìn)步，加工信息增大，使用運(yùn)算器作為核心不適用，現(xiàn)代計(jì)算器一般以存儲(chǔ)器為核心。圖1-2 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)組織結(jié)構(gòu)圖（3）計(jì)算機(jī)的功能部件計(jì)算機(jī)雖然發(fā)展很快，但是主要的功能部件并未發(fā)生改變，他們包括：①輸入設(shè)備輸入設(shè)備的主要功能是將數(shù)據(jù)以機(jī)器所能識(shí)別和接受的信息形式輸入到計(jì)算機(jī)。最常用的輸入設(shè)備是鍵盤，鼠標(biāo)、掃描儀等。②輸出設(shè)備輸出設(shè)備的任務(wù)是將計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果以人們所能接受的形式或其他系統(tǒng)所要求的信息形式輸出。常用的輸出設(shè)備有顯示器，打印機(jī)等。③存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)部件，用來(lái)存放程序和數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)器依據(jù)其能否直接與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換分為主存儲(chǔ)器（簡(jiǎn)稱主存，也稱內(nèi)存儲(chǔ)器）和輔助存儲(chǔ)器（簡(jiǎn)稱輔存，也稱外存儲(chǔ)器）。主存儲(chǔ)器主要與CPU進(jìn)行信息交換，其所保存的信息斷電即失。輔助存儲(chǔ)器用于幫助主存儲(chǔ)器記憶更多的信息，其中的信息可以長(zhǎng)期保存，但輔助存儲(chǔ)器中的信息必須調(diào)入主存后，才能被CPU所訪問(wèn)。主存儲(chǔ)器的按地址存取方式進(jìn)行工作?；窘M成結(jié)構(gòu)如圖l-3所示。存儲(chǔ)體存放二進(jìn)制信息，地址寄存器（MAR）存放地址，經(jīng)過(guò)地址譯碼后找到所選的存儲(chǔ)單元。數(shù)據(jù)寄存器（MDR）用于暫存要從存儲(chǔ)器中讀或者寫的信息，時(shí)序控制邏輯用于產(chǎn)生存儲(chǔ)器操作所需的各種時(shí)序信號(hào)。圖1-3 存儲(chǔ)器邏輯圖地址寄存器的位數(shù)可以表示存儲(chǔ)器的大小，數(shù)據(jù)寄存器的位數(shù)與存儲(chǔ)體的字長(zhǎng)一致。在計(jì)算機(jī)中下面幾個(gè)關(guān)于字長(zhǎng)的概念容易混淆a．機(jī)器字長(zhǎng)：計(jì)算機(jī)能直接處理的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)，機(jī)器字長(zhǎng)一般等于內(nèi)部寄存器的大小，它決定了計(jì)算機(jī)的運(yùn)算精度。b．指令字長(zhǎng)：指令字中包含二進(jìn)制代碼的位數(shù)。c．存儲(chǔ)字長(zhǎng)：一個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)二進(jìn)制代碼的長(zhǎng)度，必須是字節(jié)的整數(shù)倍。指令字長(zhǎng)一般都取存儲(chǔ)字長(zhǎng)的整數(shù)倍，如果指令字長(zhǎng)等于存儲(chǔ)字長(zhǎng)的2倍，就需要2次訪存來(lái)取出一條指令。④運(yùn)算器運(yùn)算器是計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)加工處理的部件，用于完成算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。算術(shù)運(yùn)算包括加、減、乘、除等，邏輯運(yùn)算包括與、或、非、移位等運(yùn)算。⑤控制器控制器又叫中央處理器（CPU）是計(jì)算機(jī)的指揮中心，由其指揮各部件協(xié)調(diào)地進(jìn)行工作?？刂破靼ǔ绦蛴?jì)數(shù)器（PC）、指令寄存器（IR）、控制單元（CU）等幾部分。（4）計(jì)算機(jī)軟件層次：計(jì)算機(jī)軟件主要分為：系統(tǒng)軟件與應(yīng)用軟件。①系統(tǒng)軟件：保證計(jì)算機(jī)系統(tǒng)高效、正確運(yùn)行的基礎(chǔ)軟件。通常作為系統(tǒng)資源提供給用戶。常見(jiàn)的系統(tǒng)軟件有操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)等。②應(yīng)用軟件：為解決實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題而編寫的程序，應(yīng)用軟件種類繁多，如游戲、社交軟件等。（5）計(jì)算機(jī)語(yǔ)言計(jì)算機(jī)語(yǔ)言也可以分為三個(gè)層次：①機(jī)器語(yǔ)言：二進(jìn)制代碼語(yǔ)言，是計(jì)算機(jī)唯一可以直接識(shí)別和執(zhí)行的語(yǔ)言，編程極不方便，需要程序員記憶很多二進(jìn)制指令。②匯編語(yǔ)言：一種低級(jí)語(yǔ)言，用英文單詞或其縮寫代替二進(jìn)制的指令代碼，更容易為人們記憶和理解。匯編語(yǔ)言的程序經(jīng)過(guò)匯編程序軟件的翻譯，將其轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)的機(jī)器語(yǔ)言后，才能在計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)上執(zhí)行。③高級(jí)語(yǔ)言：一種近似于自然語(yǔ)言的計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言，在匯編語(yǔ)言的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，常見(jiàn)的有C，C＋＋，Java等。通常高級(jí)語(yǔ)言編寫的程序需要經(jīng)過(guò)編譯程序編譯成匯編語(yǔ)言程序，然后經(jīng)過(guò)匯編操作得到機(jī)器語(yǔ)言程序，或者直接由高級(jí)語(yǔ)言程序翻譯成機(jī)器語(yǔ)言程序。翻譯程序是指把高級(jí)語(yǔ)言源程序翻譯成機(jī)器語(yǔ)言程序的計(jì)算機(jī)程序。翻譯程序有兩種：一種是編譯程序，它將高級(jí)語(yǔ)言源程序一次全部翻譯成目標(biāo)程序，每次執(zhí)行程序時(shí)，只要執(zhí)行目標(biāo)程序，因此，只要源程序不變，就無(wú)須重新翻譯。另一種是解釋程序，它將源程序的一條語(yǔ)句翻譯成對(duì)應(yīng)的機(jī)器目標(biāo)代碼，并立即執(zhí)行，然后翻譯下一條源程序語(yǔ)句并執(zhí)行，直至所有源程序語(yǔ)句全部被翻譯并執(zhí)行完。所以解釋程序的執(zhí)行過(guò)程是翻譯一句執(zhí)行一句，并且不會(huì)生成目標(biāo)程序。匯編程序也是一種語(yǔ)言翻譯程序，它把匯編語(yǔ)言源程序翻譯為機(jī)器語(yǔ)言程序。匯編語(yǔ)言是一種面向機(jī)器的低級(jí)語(yǔ)言，是機(jī)器語(yǔ)言的符號(hào)表示，與機(jī)器語(yǔ)言一一對(duì)應(yīng)?！纠坑?jì)算機(jī)系統(tǒng)采用層次化結(jié)構(gòu)組成系統(tǒng)，從最上層的最終用戶到最低層的計(jì)算機(jī)硬件，其層次化構(gòu)成為（）。A．高級(jí)語(yǔ)言機(jī)器－操作系統(tǒng)機(jī)器－匯編語(yǔ)言機(jī)器－機(jī)器語(yǔ)言機(jī)器－微指令系統(tǒng)B．高級(jí)語(yǔ)言機(jī)器－匯編語(yǔ)言機(jī)器－機(jī)器語(yǔ)言機(jī)器－操作系統(tǒng)機(jī)器－微指令系統(tǒng)C．高級(jí)語(yǔ)言機(jī)器－匯編語(yǔ)言機(jī)器－操作系統(tǒng)機(jī)器－機(jī)器語(yǔ)言機(jī)器－微指令系統(tǒng)D．高級(jí)語(yǔ)言機(jī)器－匯編語(yǔ)言機(jī)器－操作系統(tǒng)機(jī)器－微指令系統(tǒng)－機(jī)器語(yǔ)言機(jī)器【答案】D查看答案【解析】本題考查對(duì)多級(jí)層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的理解，如圖所示：圖1-4 層次化構(gòu)成二、計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)1．機(jī)器字長(zhǎng)或機(jī)器字?jǐn)?shù)指計(jì)算機(jī)進(jìn)行一次整數(shù)運(yùn)算所能處理的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)。機(jī)器字長(zhǎng)一般等于內(nèi)部寄存器的位數(shù)，字長(zhǎng)越長(zhǎng)，數(shù)的表示范圍越大，計(jì)算精度就越高。計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)通常都選定為字節(jié)（Byte，8位）的整數(shù)倍。不同的計(jì)算機(jī)，字長(zhǎng)可以不相同。2．?dāng)?shù)據(jù)通路帶寬指數(shù)據(jù)總線一次所能并行傳送信息的位數(shù)。這里所說(shuō)的數(shù)據(jù)通路寬度是外部數(shù)據(jù)總線的寬度，它與CPU內(nèi)部的數(shù)據(jù)總線寬度（內(nèi)部寄存器的大小）有可能不同。3．主存容量指主存儲(chǔ)器所能存儲(chǔ)信息的最大容量，通常以字節(jié)來(lái)衡量，也可以用字?jǐn)?shù)×字長(zhǎng)（如512KXl6位）來(lái)表示存儲(chǔ)容量。其中，MAR的位數(shù)反映了存儲(chǔ)單元的個(gè)數(shù)，MAR的位數(shù)反映了可尋址范圍的最大值，可能比實(shí)際存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量大。4．運(yùn)算速度（1）吞吐量和響應(yīng)時(shí)間①吞吐量：指系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)處理請(qǐng)求的數(shù)量。它取決于信息輸入內(nèi)存的速度，CPU取指令的速度，數(shù)據(jù)從內(nèi)存取出或存入的速度，以及所得結(jié)果從內(nèi)存送給一臺(tái)外部設(shè)備的速度。這些步驟與主存密切相關(guān)，因此，系統(tǒng)吞吐量主要取決于主存的存取周期。②響應(yīng)時(shí)間：指從用戶向計(jì)算機(jī)發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求，到系統(tǒng)對(duì)該請(qǐng)求給出結(jié)果的等待時(shí)間。通常包括CPU的執(zhí)行時(shí)間（運(yùn)行一個(gè)程序所花費(fèi)的時(shí)間）與等待時(shí)間（用于磁盤訪問(wèn)、存儲(chǔ)器訪問(wèn)、I／O操作、操作系統(tǒng)開(kāi)銷等時(shí)間）。（2）主頻和CPU時(shí)鐘周期①CPU時(shí)鐘周期：通常為節(jié)拍脈沖或T周期，即主頻的倒數(shù)，它是CPU中最小的時(shí)間單位，每個(gè)動(dòng)作至少需要一個(gè)時(shí)鐘周期。②主頻（CPU時(shí)鐘頻率）：機(jī)器內(nèi)部主時(shí)鐘的頻率，它是衡量機(jī)器速度的重要參數(shù)。主頻的倒數(shù)是CPU時(shí)鐘周期。主頻越高，完成指令的一個(gè)執(zhí)行步驟所用的時(shí)問(wèn)越短，執(zhí)行指令的速度越快。（3）CPI（ClockcyclePerInstruction）CPI即執(zhí)行每條指令所需的時(shí)鐘周期數(shù)，由于各個(gè)指令情況不一，故CPI一般為平均值。（4）CPU執(zhí)行時(shí)間，指運(yùn)行一個(gè)程序所花費(fèi)的時(shí)間。CPU執(zhí)行時(shí)間＝CPU時(shí)鐘周期數(shù)／主頻＝（指令條數(shù)×CPI）／主頻上式表明，CPU的性能（CPU執(zhí)行時(shí)間）取決于三個(gè)要素：a．主頻（時(shí)鐘頻率）；b．每條指令執(zhí)行所用的時(shí)鐘周期數(shù)（CPI）；c．指令條數(shù)。（5）MIPS、MFLOPS、GFLOPS和TFLOPS①M(fèi)IPS（MillionInstructionsPerSecond），即每秒執(zhí)行多少百萬(wàn)條指令。MIPS＝指令條數(shù)÷（執(zhí)行時(shí)間×）＝主頻÷CPI②MFLOPS（MegaFloating-pointOperationsPerSecond），即每秒執(zhí)行多少百萬(wàn)次浮點(diǎn)運(yùn)算。MFLOPS－浮點(diǎn)操作次數(shù)÷（執(zhí)行時(shí)間×）。③GFLOPS（G④TFLOPS（TeraFloating－pointOperationsPerSecond），即每秒執(zhí)行多少萬(wàn)億次浮點(diǎn)運(yùn)算。MFLOPS＝浮點(diǎn)操作次數(shù)÷（執(zhí)行時(shí)間×）?！纠縈IPS（每秒百萬(wàn)次指令數(shù)）和MFLOPS（每秒百萬(wàn)次浮點(diǎn)運(yùn)算數(shù)）是衡量CPU性能的兩個(gè)指標(biāo)，其中（ ）。A．MIPS適合衡量向量處理機(jī)的性能，MFLOPS適合衡量標(biāo)量處理機(jī)的性能B．MIPS適合衡量標(biāo)量處理機(jī)的性能，MFLOPS適合衡量向量處理機(jī)的性能C．MIPS反映計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的峰值性能，MFEOPS反映計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的持續(xù)性能D．MIPS反映計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的持續(xù)性能，MFLOPS反映計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的峰值性能