前言

• 本文基礎(chǔ)知識部分來自于b站：分享筆記的好人兒的思維導(dǎo)圖與王道考研課程，感謝大佬的開源精神，習(xí)題來自老師劃的重點(diǎn)以及考研真題。
• 此前我嘗試了完全使用Python或是結(jié)合大語言模型對考研真題進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗與可視化分析，本人技術(shù)有限，最終數(shù)據(jù)清洗結(jié)果不夠理想，相關(guān)CSDN文章便沒有發(fā)出。
• 從這篇文章開始，這里我將按章節(jié)順序，圍繞考研真題展開計(jì)算機(jī)組成原理總共7章的知識,邊學(xué)習(xí)邊整理數(shù)據(jù)。

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基礎(chǔ)知識

通用計(jì)算機(jī)的誕生

馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的基本思想

最重要思想：“存儲程序”

工作方式：要完成的工作編寫為程序，將程序和數(shù)據(jù)送入主存并執(zhí)行。程序一旦啟動，計(jì)算機(jī)能夠自動完成逐條取出指令和執(zhí)行指令的任務(wù)

特點(diǎn)

• 1. 采用“存儲程序”的工作方式
• 2. 計(jì)算機(jī)由五大部件組成（運(yùn)算器、存儲器、控制器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備）
• 3. 指令和數(shù)據(jù)以同等地位存儲在存儲器中，形式上兩者沒有區(qū)別，但計(jì)算機(jī)應(yīng)能區(qū)分（CPU區(qū)分指令與數(shù)據(jù)，依據(jù)是指令周期不同階段）
• 4. 指令和數(shù)據(jù)用二進(jìn)制代碼表示，指令由操作碼和地址碼組成，可按地址尋址
• 5. 以運(yùn)算器為中心

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)

運(yùn)算器的基本組成

控制器的基本組成

計(jì)算機(jī)的工作過程

上述知識思維導(dǎo)圖

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)語言

機(jī)器語言

• 計(jì)算機(jī)唯一可以直接識別和執(zhí)行的語言，機(jī)器指令由二進(jìn)制表示

匯編語言

• 匯編語言程序：由匯編指令構(gòu)成

• 匯編指令：用助記符和符號來表示的指令。（與機(jī)器指令一一對應(yīng)）

高級語言

• 面向算法描述，一條語句對應(yīng)多條指令，有“面向過程”與“面向?qū)ο蟆敝?/p>

• 處理邏輯：順序結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)

• 高級語言開發(fā)程序環(huán)境

  • 語言處理系統(tǒng)

    • 語言處理程序：編輯器+翻譯轉(zhuǎn)換軟件

      • 編譯方式：預(yù)處理程序、編譯器、匯編器、鏈接器

      • 程序的轉(zhuǎn)換處理過程

      • 解釋方式：解釋程序

    • 語言的運(yùn)行時系統(tǒng)

  • 操作系統(tǒng)（人機(jī)接口+操作系統(tǒng)內(nèi)核）、指令集體系結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)硬件

三種語言聯(lián)系

翻譯程序

• 匯編程序：匯編語言源程序->機(jī)器語言目標(biāo)程序

• 編譯程序：高級語言源程序->匯編/機(jī)器語言目標(biāo)程序，執(zhí)行時只要啟動目標(biāo)程序即可

• 解釋程序：將高級語言語句逐條翻譯成機(jī)器指令并立刻執(zhí)行，不生成目標(biāo)文件
  編譯程序和解釋程序重點(diǎn)在有沒有生成目標(biāo)文件，最終都轉(zhuǎn)換為機(jī)器語言。

不同層次語言之間的等價轉(zhuǎn)換

現(xiàn)代（傳統(tǒng)）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次

上述知識思維導(dǎo)圖

計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)

存儲器的性能指標(biāo)

CPU的性能指標(biāo)

系統(tǒng)整體的性能指標(biāo)

字長（都得是字節(jié)的整數(shù)倍）

• 機(jī)器字長：指CPU內(nèi)部用于整數(shù)運(yùn)算的數(shù)據(jù)通路的寬度

  • 等于CPU內(nèi)部用于整數(shù)運(yùn)算的運(yùn)算器位數(shù)和通用寄存器寬度

• 指令字長：一個指令字中包含的二進(jìn)制代碼位數(shù)

• 存儲字長：一個存儲單元存儲的二進(jìn)制代碼長度

帶寬

• 數(shù)據(jù)通路帶寬

  • 數(shù)據(jù)總線一次性所能傳送信息的位數(shù)

• 總線帶寬

  • 總線寬度×總線工作頻率

主存容量

• 主存儲器的最大容量=存儲單元個數(shù)（MAR位數(shù)n，2^n）×存儲字長（MDR位數(shù)）

運(yùn)算速度

• 吞吐量

  • 單位時間內(nèi)處理請求的數(shù)量

• 響應(yīng)時間

  • CPU時間+等待時間（磁盤訪問、儲存器訪問、IO操作、操作系統(tǒng)開銷）

• CPU時鐘周期

  • CPU最小時間單位，每個動作至少需要一個時鐘周期，主頻倒數(shù)

    • 主頻

• CPI

  • 執(zhí)行一條指令所需的時鐘周期數(shù)

• CPU執(zhí)行時間

  • 運(yùn)行一個程序所花時間=（指令條數(shù)×CPI）/主頻

• 計(jì)算能力

  • 每秒執(zhí)行多少條指令

    • KIPS、MIPS

  • 每秒執(zhí)行多少次浮點(diǎn)運(yùn)算，衡量科學(xué)計(jì)算計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)性能

    • KFLOPS、MFLOPS、GFLPOPS、TFLOPS、PFLOPS、EFLOPS、ZFLOPS（每個差3位）

整體性能指標(biāo):數(shù)據(jù)通路帶寬、吞吐量、響應(yīng)時間

思考

上述知識思維導(dǎo)圖

補(bǔ)充術(shù)語

• 兼容機(jī)（系列機(jī)）：相同或相似的指令集，相同或相似的操作系統(tǒng)（指令系統(tǒng)向后兼容）

• 兼容：計(jì)算機(jī)軟件或硬件通用性，通常在同一系列不同型號的計(jì)算機(jī)間通用

• 軟件可移植性：某系列中計(jì)算機(jī)軟件，直接或很少修改，運(yùn)行在另一個系列中

• 固件：將程序固定在ROM中的部分

相關(guān)習(xí)題

1. 關(guān)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

(1) 馮·諾依曼計(jì)算機(jī)中指令和數(shù)據(jù)的存儲區(qū)分依據(jù)是？

A. 指令操作碼的譯碼結(jié)果
B. 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式
C. 指令周期的不同階段
D. 指令和數(shù)據(jù)所在的存儲單元

答案：C

基礎(chǔ)知識：
在馮·諾依曼計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中，指令和數(shù)據(jù)都存儲在同一內(nèi)存中，并且計(jì)算機(jī)的運(yùn)行是通過不同的指令周期來控制的。這些不同的周期包括取指令周期、譯碼周期、執(zhí)行周期等。因此，指令周期的不同階段用于區(qū)分指令和數(shù)據(jù)的存儲。

(2) 將高級語言源程序轉(zhuǎn)換為機(jī)器級目標(biāo)代碼文件的程序是？

A. 匯編程序
B. 鏈接程序
C. 編譯程序
D. 解釋程序

答案：C

基礎(chǔ)知識：
將高級語言源程序轉(zhuǎn)換為機(jī)器級目標(biāo)代碼文件的程序是編譯程序。編譯程序?qū)⒏呒壵Z言代碼翻譯成機(jī)器可以執(zhí)行的目標(biāo)代碼，而不需要每次運(yùn)行都重新翻譯。

(3) 計(jì)算機(jī)硬件能夠直接執(zhí)行的程序類型是？

I. 機(jī)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. I、II、III

答案：A

基礎(chǔ)知識：
計(jì)算機(jī)硬件能夠直接執(zhí)行的程序類型是機(jī)器語言程序。機(jī)器語言是計(jì)算機(jī)可以理解和執(zhí)行的二進(jìn)制指令。

(4) 關(guān)于馮·諾依曼計(jì)算機(jī)基本思想的敘述中，錯誤的是？

A. 程序的功能都通過中央處理器執(zhí)行指令實(shí)現(xiàn)
B. 指令和數(shù)據(jù)都用二進(jìn)制數(shù)表示，形式上無差別
C. 指令按地址訪問，數(shù)據(jù)都在指令中直接給出
D. 程序執(zhí)行前，指令和數(shù)據(jù)需預(yù)先存放在存儲器中

答案：C

基礎(chǔ)知識：
在馮·諾依曼計(jì)算機(jī)中，指令和數(shù)據(jù)都用二進(jìn)制數(shù)表示，形式上無差別。指令按地址訪問，而數(shù)據(jù)需要在存儲器中存放并通過地址訪問。

(5) 將高級語言源程序轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行目標(biāo)文件的主要過程是？

A. 預(yù)處理→編譯→匯編→鏈接
B. 預(yù)處理→匯編→編譯→鏈接
C. 預(yù)處理→編譯一鏈接→匯編
D. 預(yù)處理→匯編→鏈接→編譯

答案：A

基礎(chǔ)知識：
將高級語言源程序轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行目標(biāo)文件的主要過程通常包括預(yù)處理、編譯、匯編和鏈接。這是編譯器工作的一般步驟。首先進(jìn)行預(yù)處理，然后編譯成匯編代碼，接著匯編成機(jī)器碼，最后通過鏈接生成可執(zhí)行目標(biāo)文件。

2. 關(guān)于計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)

(1) 下列選項(xiàng)中，能縮短程序執(zhí)行時間的措施是？

I. 提高 CPU 時鐘頻率
II. 優(yōu)化數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)
III. 對程序進(jìn)行編譯優(yōu)化

A. 僅Ⅰ和 II
B. 僅Ⅰ和 III
C. 僅Ⅱ和 II
D. I、II、III

答案：D

基礎(chǔ)知識：
提高 CPU 時鐘頻率（主頻）可以縮短完成指令的一個執(zhí)行步驟所需的時間，從而加快指令的執(zhí)行速度，因此選項(xiàng) I 正確。

優(yōu)化數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)可以提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的吞吐量，加快數(shù)據(jù)傳輸和處理的速度，從而縮短程序的執(zhí)行時間，因此選項(xiàng) II 正確。

對程序進(jìn)行編譯優(yōu)化可以生成更有效率的機(jī)器代碼，減少指令的執(zhí)行次數(shù)和提高數(shù)據(jù)局部性，從而降低程序的執(zhí)行時間，因此選項(xiàng) III 正確。

綜上所述，選項(xiàng) D 包括了所有能夠縮短程序執(zhí)行時間的有效措施。

(2) 下列選項(xiàng)中，描述浮點(diǎn)數(shù)操作速度指標(biāo)的是？

A. MIPS
B. CPI
C. IPC
D. MFLOPS

答案：D

基礎(chǔ)知識：

• MIPS（Million Instructions Per Second）： MIPS 是一種用于描述計(jì)算機(jī)指令執(zhí)行速度的指標(biāo)。它表示每秒執(zhí)行的百萬條指令數(shù)。MIPS 值越高，表示計(jì)算機(jī)執(zhí)行指令的速度越快，但并未直接描述浮點(diǎn)數(shù)操作速度。

• CPI（Cycles Per Instruction）： CPI 是一種用于描述計(jì)算機(jī)執(zhí)行指令效率的指標(biāo)。它表示每條指令執(zhí)行所需的時鐘周期數(shù)。CPI 值越低，表示計(jì)算機(jī)執(zhí)行指令的效率越高，但它也不是描述浮點(diǎn)數(shù)操作速度的指標(biāo)。

• IPC（Instructions Per Cycle）： IPC 是一種用于描述計(jì)算機(jī)每個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行的指令數(shù)的指標(biāo)。它與 CPI 相關(guān)，但表示的是每個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行的指令數(shù)，而不是每條指令執(zhí)行所需的時鐘周期數(shù)。IPC 值越高，表示計(jì)算機(jī)在每個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行更多的指令，但它也不是描述浮點(diǎn)數(shù)操作速度的指標(biāo)。

• MFLOPS（Million Floating Point Operations Per Second）： MFLOPS 是一種用于描述計(jì)算機(jī)浮點(diǎn)數(shù)操作速度的指標(biāo)。它表示每秒執(zhí)行的百萬次浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算操作數(shù)。MFLOPS 值越高，表示計(jì)算機(jī)執(zhí)行浮點(diǎn)數(shù)操作的速度越快。因此，選項(xiàng) D 描述浮點(diǎn)數(shù)操作速度的指標(biāo)是正確的。

所以，答案是D。

(3) 假定基準(zhǔn)程序 A 在某計(jì)算機(jī)上的運(yùn)行時間為 100s，其中 90s 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(yùn)行基準(zhǔn)程序 A 所耗費(fèi)的時間是？

A. 55s
B. 60s
C. 65s
D. 70s

答案：D

基礎(chǔ)知識：

1. CPU 時間（CPU Time）： CPU 時間表示程序在 CPU 上執(zhí)行所花費(fèi)的時間。它包括用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的 CPU 時間，用于執(zhí)行程序的指令。

2. I/O 時間（I/O Time）： I/O 時間表示程序在等待 I/O 操作完成時所花費(fèi)的時間。這包括等待數(shù)據(jù)從磁盤、網(wǎng)絡(luò)或其他外部設(shè)備讀取或?qū)懭氲臅r間。

3. CPU 速度提高 50%： 當(dāng) CPU 速度提高 50% 時，意味著 CPU 執(zhí)行指令的速度增加了 50%，也就是原來的 1.5 倍。

基準(zhǔn)程序A的運(yùn)行時間為100秒，90秒為CPU時間，10秒為I/O時間。由于CPU速度提高50%，則原來要執(zhí)行90秒的任務(wù)，現(xiàn)在縮短為90/(1+50%)=60秒。由于I/0速度不變，則運(yùn)行基準(zhǔn)程序A所耗費(fèi)的時間為10秒+60秒=70秒。

(4) 某計(jì)算機(jī)的主頻為 1.2GHz，其指令分為 4 類，它們在基準(zhǔn)程序中所占比例及 CPI 如下表所示。

該機(jī)的 MIPS 數(shù)是？

A. 100
B. 200
C. 400
D. 600

答案：C

基礎(chǔ)知識：

1. MIPS（百萬指令每秒）： MIPS 是衡量計(jì)算機(jī)性能的一種指標(biāo)，表示每秒鐘能夠執(zhí)行多少百萬條指令。

2. CPI（每條指令的平均時鐘周期數(shù)）： CPI 衡量了程序在執(zhí)行時所需的平均時鐘周期數(shù)。

計(jì)算MIPS數(shù)的公式為：MIPS = 主頻（Hz） / (CPI × 10^6)。

根據(jù)題目中的數(shù)據(jù)，我們首先需要計(jì)算基準(zhǔn)程序的CPI。

CPI = (50% × 2) + (20% × 3) + (10% × 4) + (20% × 5) = 1 + 0.6 + 0.4 + 1 = 3

然后，使用計(jì)算機(jī)的主頻來計(jì)算MIPS數(shù)：

MIPS = 主頻（1.2GHz）/ (CPI × 10^6) = 1.2 × 10^9 / (3 × 10^6) = 400

所以，該機(jī)的MIPS數(shù)為400。

(5) 程序 P 在機(jī)器 M 上的執(zhí)行時間是 20s，編譯優(yōu)化后，P 執(zhí)行的指令數(shù)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(zhí)行時間是？

A. 8.4s
B. 11.7s
C. 14s
D. 16.8s

答案：D

基礎(chǔ)知識：

1. 執(zhí)行時間（Execution Time）： 執(zhí)行時間表示程序在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行所需的時間。它是程序執(zhí)行的實(shí)際時間。

2. 指令數(shù)（Number of Instructions）： 指令數(shù)表示程序執(zhí)行過程中執(zhí)行的指令總數(shù)。

3. CPI（Cycles Per Instruction）： CPI 表示每條指令執(zhí)行所需的時鐘周期數(shù)。它是衡量計(jì)算機(jī)性能的重要指標(biāo)之一。

根據(jù)題意，編譯優(yōu)化后，程序P執(zhí)行的指令數(shù)減少到原來的70%，即指令數(shù)變?yōu)樵瓉淼?.7倍。同時，CPI增加到原來的1.2倍。

新的執(zhí)行時間 = 原執(zhí)行時間 × 新指令數(shù) × 新CPI

新的執(zhí)行時間 = 20s × 0.7 × 1.2 = 16.8s

因此，P在M上的執(zhí)行時間是16.8秒，答案是D。

(6) 假定計(jì)算機(jī) M1 和 M2 具有相同的指令集體系結(jié)構(gòu)（ISA），主頻分別為 1.5GHz 和 1.2GHz。在 M1 和 M2 上運(yùn)行某基準(zhǔn)程序 P，平均 CPI 分別為 2 和 1，則程序 P 在 M1 和 M2 上運(yùn)行時間的比值是？

A. 0.4
B. 0.625
C. 1.6
D. 2.5

答案：C

基礎(chǔ)知識：

1. 指令集體系結(jié)構(gòu)（ISA）： ISA 定義了計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中的指令集合、寄存器和數(shù)據(jù)傳輸方式。它是計(jì)算機(jī)硬件和軟件之間的接口標(biāo)準(zhǔn)。

2. 主頻（Clock Frequency）： 主頻表示計(jì)算機(jī)的時鐘頻率，即每秒時鐘周期數(shù)。它通常以赫茲（Hz）為單位表示。

3. CPI（Cycles Per Instruction）： CPI 表示每條指令執(zhí)行所需的時鐘周期數(shù)。它是衡量計(jì)算機(jī)性能的重要指標(biāo)之一。

根據(jù)題意，M1 的平均 CPI 為 2，M2 的平均 CPI 為 1。而主頻與 CPI 之間的關(guān)系可以用以下公式表示：

執(zhí)行時間 = 指令數(shù) × CPI / 主頻

對于 M1，執(zhí)行時間1 = 指令數(shù) × 2 / 1.5GHz = (2/1.5) × 指令數(shù) 秒
對于 M2，執(zhí)行時間2 = 指令數(shù) × 1 / 1.2GHz = (1/1.2) × 指令數(shù) 秒

現(xiàn)在我們來計(jì)算程序 P 在 M1 和 M2 上運(yùn)行時間的比值：

程序 P 在 M1 上的執(zhí)行時間 / 程序 P 在 M2 上的執(zhí)行時間 = (2/1.5) × 指令數(shù) / ((1/1.2) × 指令數(shù))

指令數(shù)可以約掉，于是比值為：

(2/1.5) / (1/1.2) = (2/1.5) × (1.2/1) = 2.4/1.5 = 1.6

因此，程序 P 在 M1 和 M2 上運(yùn)行時間的比值為 1.6，答案是C。

(7) 下列給出的部件中，其位數(shù)（寬度）一定與機(jī)器字長相同的是？

I. ALU
II. 指令寄存器
III. 通用寄存器
IV. 浮點(diǎn)寄存器

A. 僅 I、II
B. 僅 I、III
C. 僅 II、 III
D. 僅 II、III、 IV

答案：B. 僅 I、III

基礎(chǔ)知識：

1. 機(jī)器字長（Word Length）： 機(jī)器字長是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中的一個重要概念，它表示計(jì)算機(jī)一次性能處理的二進(jìn)制位數(shù)，通常以位（bits）為單位表示。機(jī)器字長決定了計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)表示范圍和性能。

2. ALU（Arithmetic Logic Unit）： ALU 是計(jì)算機(jī)中的算術(shù)邏輯單元，負(fù)責(zé)執(zhí)行算術(shù)和邏輯操作。ALU 的位數(shù)通常與機(jī)器字長相同，以便處理與機(jī)器字長相匹配的數(shù)據(jù)。

3. 指令寄存器： 指令寄存器是用于存儲當(dāng)前正在執(zhí)行的指令的寄存器。它通常存儲一條機(jī)器指令，而機(jī)器指令的位數(shù)與機(jī)器字長相匹配。

4. 通用寄存器： 通用寄存器是計(jì)算機(jī)中用于存儲臨時數(shù)據(jù)的寄存器，通常用于執(zhí)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算。通用寄存器的位數(shù)通常與機(jī)器字長相同。

5. 浮點(diǎn)寄存器： 浮點(diǎn)寄存器是用于存儲浮點(diǎn)數(shù)（實(shí)數(shù)）數(shù)據(jù)的寄存器。浮點(diǎn)寄存器的位數(shù)通常與浮點(diǎn)數(shù)的表示格式相關(guān)，可能與機(jī)器字長不同。

根據(jù)上述知識，只有 ALU 和通用寄存器的位數(shù)一定與機(jī)器字長相同，因此答案是B. 僅 I、III。其他部件的位數(shù)可能根據(jù)需要而有所不同。

(8) 2017 年公布的全球超級計(jì)算機(jī) TOP 500 排名中，我國“神威·太湖之光”超級計(jì)算機(jī)蟬聯(lián)第一，其浮點(diǎn)運(yùn)算速度為93.0146 PFLOPS，說明該計(jì)算機(jī)每秒鐘內(nèi)完成的浮點(diǎn)操作次數(shù)約為？

A. 9.3×10^13次
B. 9.3×10^15次
C. 9.3 千萬億次
D. 9.3 億億次

答案：D

基礎(chǔ)知識：
PFLOPS（PetaFLOPS）表示每秒鐘完成的浮點(diǎn)操作次數(shù)達(dá)到了10^15次。根據(jù)題目中提供的數(shù)據(jù)，神威·太湖之光超級計(jì)算機(jī)的浮點(diǎn)運(yùn)算速度為93.0146 PFLOPS~每秒9.3×10次浮點(diǎn)運(yùn)算，因此每秒鐘完成的浮點(diǎn)操作次數(shù)約為9.3×10^16次。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-727605.html

(9) 某計(jì)算機(jī)主頻為1GHz，程序P運(yùn)行過程中，共執(zhí)行了10000條指令，其中80%的指令執(zhí)行平均需1個時鐘周期，20%的指令執(zhí)行平均需10個時鐘周期。程序P的平均CPI和CPU執(zhí)行時間分別是？

A. 2.8, 28μs
B. 28, 28μs
C. 2.8, 28ms
D. 28, 28ms

答案：A

基礎(chǔ)知識

在理解和解析這個問題之前，需要了解以下基礎(chǔ)知識：

1. 主頻（Clock Frequency）：主頻是計(jì)算機(jī)處理器（CPU）的時鐘頻率，通常以赫茲（Hz）為單位表示。它表示CPU每秒鐘的時鐘周期數(shù)。例如，如果主頻為1.5 Hz，那么CPU每秒鐘將執(zhí)行1.5億個時鐘周期。

2. 指令執(zhí)行速度（IPS，Instructions Per Second）：指令執(zhí)行速度是計(jì)算機(jī)在單位時間內(nèi)執(zhí)行的指令數(shù)。它通常以GIPS（Giga Instructions Per Second）為單位表示。計(jì)算指令執(zhí)行速度需要考慮主頻和每條指令的平均CPI（Cycles Per Instruction）。

3. 指令條數(shù)：指令條數(shù)是程序中包含的機(jī)器指令的數(shù)量。這是一個影響程序執(zhí)行時間的因素。

4. 用戶CPU時間：用戶CPU時間是指程序在CPU上執(zhí)行的實(shí)際時間，通常以毫秒（ms）為單位表示。它取決于總時鐘周期數(shù)和主頻。

按照題意，程序P的指令總數(shù)為10000，其中80%的指令CPI為1，20%的指令CPI為10。首先計(jì)算平均CPI：

平均CPI = (80% × 1 + 20% × 10) = 2.8

計(jì)算機(jī)主頻為1GHz，即1 × 10^9 Hz?，F(xiàn)在可以計(jì)算CPU執(zhí)行時間：

CPU執(zhí)行時間 = 10000 × 2.8 / (1 × 10^9) = 28μs

所以，程序P的平均CPI是2.8，CPU執(zhí)行時間是28μs。

以上習(xí)題多數(shù)為考研真題，我正在逐年整理中，后續(xù)會標(biāo)明年份和題號

考研真題

408 - 2023

12. 計(jì)算程序執(zhí)行速度和用戶CPU時間

若機(jī)器M的主頻為1.5 Hz，在M上執(zhí)行程序P的指令條數(shù)為5 × 10^5，P的平均CPI為1.2，則P在M上的指令執(zhí)行速度和用戶CPU時間分別為哪個選項(xiàng)？

A. 0.8 GIPS, 0.4 ms

B. 0.8 GIPS, 0.4 us

C. 1.25 GIPS, 0.4 ms

D. 1.25 GIPS, 0.4 us
基礎(chǔ)知識

在理解和解析這個問題之前，需要了解以下基礎(chǔ)知識：

1. 主頻（Clock Frequency）：主頻是計(jì)算機(jī)處理器（CPU）的時鐘頻率，通常以赫茲（Hz）為單位表示。它表示CPU每秒鐘的時鐘周期數(shù)。例如，如果主頻為1.5 Hz，那么CPU每秒鐘將執(zhí)行1.5億個時鐘周期。

2. 指令執(zhí)行速度（IPS，Instructions Per Second）：指令執(zhí)行速度是計(jì)算機(jī)在單位時間內(nèi)執(zhí)行的指令數(shù)。它通常以GIPS（Giga Instructions Per Second）為單位表示。計(jì)算指令執(zhí)行速度需要考慮主頻和每條指令的平均CPI（Cycles Per Instruction）。

3. 指令條數(shù)：指令條數(shù)是程序中包含的機(jī)器指令的數(shù)量。這是一個影響程序執(zhí)行時間的因素。

4. 用戶CPU時間：用戶CPU時間是指程序在CPU上執(zhí)行的實(shí)際時間，通常以毫秒（ms）為單位表示。它取決于總時鐘周期數(shù)和主頻。

解析：

首先，我們需要計(jì)算程序P在機(jī)器M上的指令執(zhí)行速度和用戶CPU時間。以下是計(jì)算過程：

• 程序P的指令條數(shù)為5 × 10^5。
• P的平均CPI為1.2。
• 機(jī)器M的主頻為1.5 Hz。

計(jì)算程序P的總時鐘周期數(shù)：
總時鐘周期數(shù) = 指令條數(shù) × 平均CPI = 5 × 10^5 × 1.2 = 6 × 10^5

機(jī)器M的主頻為1.5 Hz，這意味著每秒有1.5 × 10^9 個時鐘周期。

現(xiàn)在，計(jì)算指令執(zhí)行速度（IPS，Instructions Per Second）：
指令執(zhí)行速度 = 主頻 / 平均CPI = (1.5 × 10^9) / 1.2 = 1.25 × 10^9 IPS = 1.25 GIPS

最后，計(jì)算用戶CPU時間：
用戶CPU時間 = 總時鐘周期數(shù) / 主頻 = (6 × 10^5) / (1.5 × 10^9) = 0.4 × 10^(-3) 秒 = 0.4 ms

所以，程序P在機(jī)器M上的指令執(zhí)行速度為1.25 GIPS，用戶CPU時間為0.4毫秒（ms）。因此，答案是選項(xiàng)C：1.25 GIPS, 0.4 ms。

408 - 2022

12. 計(jì)算平均CPI和CPU執(zhí)行時間

問題： 某計(jì)算機(jī)主頻為1GHz，程序P運(yùn)行過程中，共執(zhí)行了10000條指令，其中，80%的指令執(zhí)行平均需1個時鐘周期，20%的指令執(zhí)行平均需10個時鐘周期。程序P的平均CPI（Cycles Per Instruction）和CPU執(zhí)行時間分別是多少？

A. 2.8，28μs

B. 28，28μs

C. 2.8，28ms

D. 28，28ms

解答：

基礎(chǔ)知識：

• CPI（Cycles Per Instruction）： CPI 表示每條指令執(zhí)行所需的平均時鐘周期數(shù)。它是衡量計(jì)算機(jī)性能的一個重要指標(biāo)。公式為：

  [CPI = \frac{\text{總時鐘周期數(shù)}}{\text{執(zhí)行的指令數(shù)}}]

• CPU執(zhí)行時間： CPU執(zhí)行時間表示程序運(yùn)行所需的時間，通常以秒為單位。

按照題意，程序P的指令總數(shù)為10000，其中80%的指令CPI為1，20%的指令CPI為10。首先計(jì)算平均CPI：

平均CPI = (80% × 1 + 20% × 10) = 2.8

計(jì)算機(jī)主頻為1GHz，即1 × 10^9 Hz?，F(xiàn)在可以計(jì)算CPU執(zhí)行時間：

CPU執(zhí)行時間 = 10000 × 2.8 / (1 × 10^9) = 28μs

所以，程序P的平均CPI是2.8，CPU執(zhí)行時間是28μs。

正確答案是 A. 2.8，28μs。

20. 高級語言程序轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行目標(biāo)文件的過程

問題： 將高級語言源程序轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行目標(biāo)文件的主要過程是什么？

A. 預(yù)處理→編譯→匯編→鏈接

B. 預(yù)處理→匯編→編譯→鏈接

C. 預(yù)處理→編譯→鏈接→匯編

D. 預(yù)處理→匯編→鏈接→編譯

解答：

基礎(chǔ)知識：

將高級語言源程序轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行目標(biāo)文件的主要過程通常包括以下步驟：

1. 預(yù)處理（Preprocessing）： 在這個階段，預(yù)處理器根據(jù)預(yù)處理指令（如宏定義、條件編譯等）對源代碼進(jìn)行處理。預(yù)處理器會展開宏定義、包含頭文件等，生成經(jīng)過預(yù)處理的源代碼。

2. 編譯（Compilation）： 在這個階段，編譯器將預(yù)處理后的源代碼轉(zhuǎn)換為匯編代碼。編譯器對代碼進(jìn)行詞法分析、語法分析、語義分析，生成相應(yīng)的中間代碼或匯編代碼。

3. 匯編（Assembly）： 在這個階段，匯編器將匯編代碼轉(zhuǎn)換為機(jī)器碼指令。匯編器將匯編代碼中的每條指令翻譯成機(jī)器碼表示。

4. 鏈接（Linking）： 在這個階段，鏈接器將各個源文件編譯生成的目標(biāo)文件及所需的庫文件合并在一起，生成最終的可執(zhí)行目標(biāo)文件。鏈接器會解析符號引用關(guān)系，將函數(shù)和變量的引用與其定義進(jìn)行匹配，并進(jìn)行地址重定位等操作，使得程序能夠正確地執(zhí)行。

因此，正確的過程是：預(yù)處理→編譯→匯編→鏈接，選項(xiàng)A是正確的。

答案是 A. 預(yù)處理→編譯→匯編→鏈接。

拓展

例如gcc編譯器將hello.c轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行目標(biāo)文件hello的過程如下：

對應(yīng)的命令如下：

預(yù)處理：gcc -E hello.c -o hello.i
編譯：gcc –S hello.i –o hello.s
匯編：gcc –c hello.s –o hello.o
鏈接：gcc hello.o –o hello

408 - 2021

12. 計(jì)算機(jī)浮點(diǎn)運(yùn)算速度與操作次數(shù)的關(guān)系

問題：2017 年公布的全球超級計(jì)算機(jī) TOP 500 排名中，我國“神威·太湖之光”超級計(jì)算機(jī)蟬聯(lián)第一，其浮點(diǎn)運(yùn)算速度為93.0146 PFLOPS，說明該計(jì)算機(jī)每秒鐘內(nèi)完成的浮點(diǎn)操作次數(shù)約為？

A. 9.3×10^13次
B. 9.3×10^15次
C. 9.3 千萬億次
D. 9.3 億億次

答案：D

基礎(chǔ)知識：
PFLOPS（PetaFLOPS）表示每秒鐘完成的浮點(diǎn)操作次數(shù)達(dá)到了10^15次。根據(jù)題目中提供的數(shù)據(jù)，神威·太湖之光超級計(jì)算機(jī)的浮點(diǎn)運(yùn)算速度為93.0146 PFLOPS~每秒9.3×10次浮點(diǎn)運(yùn)算，因此每秒鐘完成的浮點(diǎn)操作次數(shù)約為9.3×10^16次。

未完待續(xù)，逐張?jiān)嚲碚碇?，會一直更新?009

到了這里，關(guān)于【計(jì)算機(jī)組成原理】考研真題攻克與重點(diǎn)知識點(diǎn)剖析 - 第 1 篇：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！