计算机组成原理（一）绪论

目录

 一、计算机系统简介

1.1计算机软硬件概念

1.2 计算机系统层次结构

1.3计算机体系结构和计算机组成

1.4计算机的解题过程

二、计算机的基本组成

2.1早期的冯·诺依曼机

2.2现代计算机的组织结构

 三、计算机的功能部件

3.1存储器（功能：存放数据和程序代码）

3.2运算器（功能：实现算术和逻辑运算）

3.3控制器（功能：读取指令、控制指令的执行、处理异常）

3.4主机完成一条指令的过程

四、计算机性能指标

 4.1机器字长

4.2数据通路带宽

4.3存储容量（存放二进制信息的总位数）

4.4运算速度

五、课后题

5.1选择题

5.2简答题

5.3考研题

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 一、计算机系统简介

1.1计算机软硬件概念

计算机系统=硬件+软件

软件=系统软件+应用软件

计算机硬件的发展：

• 第一代计算机：(使用电子管)，
• 第二代计算机：(使用晶体管)，
• 第三代计算机：(使用较小规模的集成)，
• 第四代计算机：(使用较大规模的集成)，

1.2 计算机系统层次结构

计算机系统由硬件系统和软件系统共同构建起来

1、硬件：计算机系统中实际装置的总称。（所有看得见、摸得着的器件）

2、软件：人们事先编制成具有各种特殊功能的信息组成。（程序）

3、软硬件的关系：不可分离、一定程度上可互相转换。

1.3计算机体系结构和计算机组成

计算机体系结构

程序员所见到的计算机系统的属性 概念性的结构与功能特性（指令系统、数据类型、寻址技术、I/O机理）

计算机 组成

实现计算机体系结构所体现的属性（具体指令的实现）

1.4计算机的解题过程

二、计算机的基本组成

计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成。

补充：

什么是存储程序原理？按此原理，计算机应具有哪几大功能？

“程序存储”：指令以代码的形式事先输入到计算机的主存储器中，然后按其在存储器中的首地址执行程序的第一条指令，以后就按该程序的规定顺序执行其他指令，直至程序执行结束。即按地址访问并顺序执行指令

计算机按照此原理应具有5大功能：数据传送功能、数据存储功能、数据处理功能、操作控制功能、操作判断功能

2.1早期的冯·诺依曼机

早期的冯·诺依曼机以运算器为中心，且是单处理机，最根本的特征是采用“存储程序”原理，基本工作方式是控制流驱动方式！

• 冯诺曼体系结构特点:

1. 计算机硬件系统由五大部件组成(存储器、运算器、控制器、输出设备、输入设备)
2. 指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访
3. 指令和数据用二进制表示
4. 指令由操作码和地址码组成
5. 存储程序
6. 以运算器为中心

2.2现代计算机的组织结构

 具体

以存储器为中心的计算机硬件组成框图，并说明各部件的作用

输入设备：将信息转换成机 器能识别的形式

存储器 ：存放数据 和程序

运算器：算术运算 逻辑运算

控制器：指挥程序 运行

输出设备：将结果转换成 人们熟悉的形式

 三、计算机的功能部件

主机：主存、运算器、控制器

3.1存储器（功能：存放数据和程序代码）

 存储器，存储器分为 主存储器(内存储器，CPU能直接访问)和 辅助存储器(外存储器，协助主存储器记忆更多的信息，辅助存储器的信息需要导入到主存储器中，才可以被CPU访问)。 

存储器的基本组成：存储体M

      MAR（Memory Address Register）存储器地址寄存器        反映存储单元的个数

      MDR（Memory Data Register）存储器数据寄存器        反映存储字长

设 MAR = 4 位       MDR = 8 位

存储单元个数 16        存储字长 8

 操作过程：

先给地址（放入MAR中），地址选中存储体中唯一的一个存储单元，选中的存储单元与MDR进行数据交换（读出或写入）。

3.2运算器（功能：实现算术和逻辑运算）

运算器，是计算机的运算单元，用于算术运算和逻辑运算，运算器的核心单元是算术逻辑单元(ALU)

运算器的基本组成：ALU（Arithmetic Logic Unit）算逻运算单元

                                 ACC（Accumulator）累加器

                                 MQ（Multiplier-Quotient Register）乘商寄存器

                                 X 操作数寄存器

3.3控制器（功能：读取指令、控制指令的执行、处理异常）

控制器，控制器是计算机的指挥中心，有其指挥各部件自动协调第进行工作，现代计算机将运算器和控制器集成到一个芯片上，合成为中央处理器，简称CPU。有程序计数器(PC)、指令寄存器(IR)和控制单元(CU)。 

包括：CU（Control Unit）控制单元

PC（Program Counter）程序计数器

IR（Instruction Register）指令寄存器

操作过程：

PC指向存放指令的存储单元，取出的指令放入IR中，经指令译码器译码，CU发出相应的微操作，完成一条指令的执行。

由于指令顺序存放，地址连续，所以当前指令处理完后，只需PC加“1”，即可找到下一条指令。

在计算机中，执行每一条指令的过程通常被划分为多个阶段，称为指令周期（instruction cycle）。典型的指令周期通常由以下几个阶段组成：

1. 取指令（instruction fetch）：从内存中读取指令，将其存储到指令寄存器中。

2. 指令译码（instruction decode）：将指令寄存器中的指令解码为实际的操作，确定操作数的位置。

3. 执行操作（execute）：执行指令中的操作，例如算术运算、逻辑运算等。

4. 访存（memory access）：如果指令需要访问内存中的数据，则进行内存访问操作，将数据读取或写入到指定的内存地址中。

5. 写回（write back）：将结果写回到指定的寄存器或内存中。

这些阶段通常是按照特定的顺序依次执行的，每个阶段都需要一定的时间，因此每个指令周期的时间长度也是固定的。不同的指令可能需要执行不同数量的周期，因此每个指令的执行时间也是不同的。

3.4主机完成一条指令的过程

一般将运算器和控制器集成到同一个芯片上，称为中央处理器(CPU)。CPU和主存储器共同构成主机，而除主机外的其他硬件装置(外存、I/O设备等)统称为外部设备，简称外设

 CPU和主存之间通过一组总线相连，总线中有地址、控制和数据3组信号线。MAR中的地址信息会直接送到地址线上，用于指向读/写操作的主存存储单元；控制线中有读/写信号线，指出数据是从CPU写入主存还是从主存读出到CPU,根据是读操作还是写操作来控制将MDR中的数据是直接送到数据线上还是将数据线上的数据接收到MDR中。

IR存放当下欲执行的指令；PC存放下一条指令的地址；

MAR存放欲访问的存储单元地址；MDR存放从存储单元取来的数据！

地址译码器是主存的构成部分，不属于CPU；地址寄存器虽然一般属于主存，但是现代计算机中绝大多数CPU内集成了地址寄存器！

关于CPU存取速度的比较：寄存器（CPU内部）> Cache(高速的SRAM) > 内存 （SDRAM）

四、计算机性能指标

 4.1机器字长

机器字长：指CPU一次能处理的二进制数的最大位数， 机器字长对应汇编语言中通用寄存器的最大位数（与 CPU 中的 寄存器位数 有关）

机器字长、指令字长、存储字长的区别和联系是什么？

机器字长：计算机能直接处理的二进制数据的位数，机器字长一般等于内部寄存器的大小，它决定了计算机的运算精度。

指令字长：一个指令字中包含的二进制代码的位数。

存储字长：一个存储单元存储的二进制代码的长度。等于MDR的位数， 它们都必须是字节的整数倍。

数据字长：数据总线一次能传送信息的位数，它可以不等于MDR的位数。

指令字长一般取存储字长的整数倍，若指令字长等于存储字长的2倍，则需要2次访存来取出一条指令，因此取指周期为机器周期的2倍；若指令字长等于存储字长，则取指周期等于机器周期。

早期的计算机存储字长一般和机器的指令字长与数据字长相等，因此访问一次主存便可取出一条指令或一个数据。随着计算机的发展，指令字长可变，数据字长也可变，但它们必须都是字节的整数倍。

请注意64位操作系统是指特别为64位架构的计算机而设计的操作系统，它能够利用64位处理器的优势。但64位机器既可以使用64位操作系统，又可以使用32位操作系统。而32位处理器是无法使用64位操作系统的。

4.2数据通路带宽

数据总线一次所能传送信息的位数。

4.3存储容量（存放二进制信息的总位数）

  * 主存容量=存储单元个数×存储字长

例：某主存容量为1K×8，则代表存储单元为1K个（即1024），每个存储单元存放8位二进制数。

   * 常用存储个数：1K（1024个，即210）、1M（1024个K，即220）、1G（1024个M，即230）、1T（1024个G，即240）、1P（1024个T，即250）、1E（1024个P，即260）

4.4运算速度

吞吐量，指系统在单位时间内处理请求的数量 ；从用户观点看，它是评价计算机系统性能的综合参数！

响应时间，指从用户向计算机发送一个请求，到系统对该请求做出响应 

CPU时钟周期。通常为节拍脉冲或T周期，即主频的倒数，它是CPU中最小的时间单位，每个动作至少需要1个时钟周期。

主频(CPU时钟频率)。机器内部主时钟的频率，是衡量机器速度的重要参数。

• CPU周期又称为机器周期，由多个时钟周期组成！
• 指令周期>CPU周期>时钟周期

CPI（Clock cycle Per Instruction），即执行一条指令所需的时钟周期数。

CPU执行时间，指运行一个程序所花费的时间。
CPU执行时间 = CPU时钟周期数/主频 = (指令条数xCPI)/主频
CPU的性能取决于三个要素:主频、CPI 、指令条数

五、课后题

5.1选择题

1、ENIAC所用的主要元件是（  C  ）

A. 集成电路       B.  晶体管        C.  电子管       D.  以上均不对

2、电子计算机问世至今，新型机器不断推陈出新，不管怎么更新，依然保有“存储程序”的概念，最早提出这种概念的是（  B  ）

A. 巴贝奇         B.  冯.诺依曼      C.  帕斯卡       D.  贝尔

3、个人计算机（PC）是属于（  C  ）类计算机

A. 大型计算机      B.  小型机      C.  微型计算机     D.  超级计算机

4、电子计算机的算术/逻辑运算单元、控制单元合并为（  A  ）

A.  CPU      B.  ALU      C.  主机       D.  I/O

5、1字节（BYTE）对应（  B  ）位二进制数

A.  1          B.  8         C.  16        D.  不确定

6、计算机中关于ALU的描述，正确的是（  D  ）

A. 只做算术运算，不做逻辑运算           B.  只做加法

C. 能存放运算结果                       D.  以上均不对

关于ALU的描述，选项D是正确的，因为：

A. ALU不仅可以进行算术运算，还可以进行逻辑运算。

B. ALU不仅可以进行加法，还可以进行减法、乘法、除法等多种算术运算。

C. ALU不能存储运算结果，它只是将结果输出到寄存器或内存中进行存储。

因此，选项D“以上均不对”是正确的描述。

7、完整的计算机系统应包括（  D  ）

A. 运算器、存储器、控制器       B.  外部设备和主机

C. 主机和实用程序               D.  配套的硬件设备和软件系统

8、至今为止，计算机中的所有信息仍以二进制方式表示的理由主要是（ C  ）

A. 节约元件                     B.  运算速度快           

C. 物理器件性能所致             D.  信息处理方便

9、冯.诺依曼计算机工作方式的基本特点是（  B  ）

A. 多指令流单数据流             B.  按地址访问并顺序执行指令           

C. 堆栈操作                     D.  存储器按内容选择地址

10、某寄存器中的值可能是操作数，也可能是地址，只有计算机的（  C  ）才能识别它

A. 译码器         B.  判断程序      C.  指令       D.  时序信号

11、比特（bit）也称作字位，1比特对应（  A ）位二进制数

A.  1          B.  8         C.  16        D.  不确定

12、下列（  A  ）是软件

A.  操作系统     B.  键盘       C.  CPU        D.  液晶显示器

13、下列（  D  ）不是输入设备

A.  磁盘驱动器      B.  键盘      C. 鼠标器       D.  打印机

14、下列各装置中，（   A  ）具有输入及输出功能

A.  磁盘驱动器      B.  键盘      C. 传统显示器（无触控功能）   D.  打印机

在下列各装置中，具有输入及输出功能的是磁盘驱动器，因此选项A是正确的。磁盘驱动器可以读取磁盘上的数据并将其输出到计算机，同时也可以将计算机中的数据写入磁盘中进行存储，因此具有输入输出功能。选项B的键盘只有输入功能，选项C的传统显示器只有输出功能，选项D的打印机也只有输出功能。

15、基本上计算机能直接处理的语言是由0与1组成的语言，此种语言称为（  C  ）

A.  人工语言      B.  汇编语言      C. 机器语言       D.  高级语言

16、某微机系统以16位来表示地址，则该计算机系统有（  C  ）个地址空间

A.  256      B.  65535      C.  65536       D.  131072

17、一片1MB的磁盘能存储（  B  ）的数据

A.  210字节      B.  220字节      C. 230字节       D.  240字节

一片1MB的磁盘能存储220字节的数据，因此选项B是正确的。1MB可以表示为220字节，即1024*1024字节。

18、计算机中（  B  ）负责指令译码

A.  ALU      B.  控制单元      C. 存储器译码电路    D.  输入输出译码电路

计算机中控制单元负责指令译码，因此选项B是正确的。控制单元是计算机的一个重要组成部分，它负责控制计算机中的各种操作，并且可以对指令进行译码，根据指令控制计算机的其他部件执行相应的操作。选项A的ALU是算术逻辑单元，用于执行算术和逻辑运算，选项C的存储器译码电路用于对内存地址进行译码，选项D的输入输出译码电路用于对输入输出设备进行译码。

5.2简答题

1.什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件?硬件和软件哪个更重要?

计算机系统是由计算机硬件和计算机软件两部分组成的，其中计算机硬件包括计算机的物理组成部分，例如中央处理器、内存、硬盘、显示器、键盘等，而计算机软件则是指计算机的程序和数据，例如操作系统、应用软件、驱动程序等。

计算机硬件和计算机软件都是计算机系统中不可或缺的组成部分，二者缺一不可。计算机硬件是计算机系统的基础，它提供了计算、存储和输入输出等基本功能，而计算机软件则是使硬件能够发挥功能的重要部分，它通过编写程序和操作系统等方式，使计算机能够完成各种任务和应用。

2.如何理解计算机系统的层次结构?

计算机系统的层次结构是指计算机系统按照不同功能和实现方式划分成多个层次，并按照一定的规律互相联系，共同构成一个完整的计算机系统。

计算机系统的层次结构一般分为五个层次：硬件层、微程序层、指令系统层、操作系统层和应用软件层。其中硬件层是指计算机硬件组成的层次，包括中央处理器、存储器、输入输出设备等；微程序层是指介于硬件和指令系统之间的一层，主要实现指令的解码和执行；指令系统层是指计算机指令系统的层次，主要包括机器语言和汇编语言；操作系统层是指操作系统的层次，主要负责管理计算机的资源，提供各种服务；应用软件层是指各种应用软件的层次，主要是为了满足不同的应用需求。

3.说明高级语言、汇编语言和机器语言的差别及其联系。

高级语言、汇编语言和机器语言都是计算机程序设计中常用的语言，它们有以下的差别和联系：

1.抽象程度不同

高级语言是相对抽象的编程语言，更加接近自然语言的表达方式，如C、Java、Python等；汇编语言则是面向机器的抽象语言，用符号代替二进制指令，如x86汇编语言、ARM汇编语言等；机器语言是最接近计算机底层硬件的语言，由0和1组成的二进制指令，只有计算机能够识别和执行。

2编程难度不同

高级语言更加易于理解和学习，编写程序的难度较小，对程序员的技能要求较低，适合开发各种应用程序；汇编语言需要对计算机硬件有一定的了解，需要手动进行内存和寄存器的管理，编程难度较大；机器语言则需要对计算机底层硬件有深入的了解，编写程序的难度非常高，容易出错。

3.语言转换

高级语言需要通过编译器或解释器将高级语言代码转换成汇编语言或机器语言，再由计算机执行；汇编语言则需要通过汇编器将汇编代码转换成机器语言，再由计算机执行；而机器语言则可以直接由计算机执行。

4.联系

高级语言、汇编语言和机器语言之间是有联系的。高级语言最终也需要转换成汇编语言或机器语言才能被计算机执行；而汇编语言和机器语言之间是一一对应的，汇编语言只是机器语言的一种助记符，可以更加方便地进行程序设计和修改

4.如何理解计算机组成和计算机体系结构?

计算机组成关注计算机硬件的实现细节，包括处理器、存储器、输入输出设备等硬件组件的具体实现方式。计算机组成的目的是实现计算机的基本功能，如数据存储、处理和传输等。

计算机体系结构关注计算机硬件与软件之间的接口，包括计算机的指令集、处理器的寻址方式、内存管理、中断处理等方面。计算机体系结构的目的是为了实现对计算机硬件的有效利用，同时尽可能地提高计算机的性能和可靠性。

5.解释概念:主机、CPU、主存、存储单元、存储元件、存储基元、存储元、存储字、存储字长、存储容量、机器字长、指令字长

• 主机：指计算机的主体部分，包括处理器、主存、输入输出设备等。
• CPU（Central Processing Unit）：中央处理器，是计算机的核心部件，负责执行计算机指令、控制数据传输和处理等任务。
• 主存（Main Memory）：也称为内存，是计算机中用于存储数据和指令的地方，是CPU可以直接访问的存储设备。
• 存储单元：指内存中的最小存储单位，通常是一个二进制位，或几个二进制位构成的一个字节。
• 存储元件：指实现存储单元的硬件设备，如存储芯片、磁盘等。
• 存储基元：指最小的可寻址存储单元，一般是一个存储单元或一个字节。
• 存储元：指存储设备中的一个存储单元，可以存储一个数据。
• 存储字：指计算机中存储的一组二进制数据，通常是由若干个存储基元组成的。
• 存储字长：指计算机中一个存储字所包含的存储基元的数量。
• 存储容量：指存储设备能够存储的数据量，通常以字节为单位计量。
• 机器字长：指计算机中数据通路的位数，也称为字长。它决定了CPU能够处理的最大数据位数，通常与CPU的寄存器位数有关。
• 指令字长：指计算机中指令的位数，也称为指令长度。它决定了计算机所能处理的指令格式和操作码的长度。通常与机器字长有关。

6.解释英文代号:CPU、PC、IR、CU、ALU、ACC、MQ、X、MAR、MDR、I/O、MIPS、CPI、FLOPS。

• CPU: Central Processing Unit，中央处理器，是计算机的主要处理器件，用于执行指令和控制计算机的操作。
• PC: Program Counter，程序计数器，是CPU中的一个寄存器，用于存储下一条要执行的指令的地址。
• IR: Instruction Register，指令寄存器，用于存储当前正在执行的指令。
• CU: Control Unit，控制单元，是CPU中的一个部件，用于控制计算机的操作，并协调各个部件的工作。
• ALU: Arithmetic Logic Unit，算术逻辑单元，是CPU中的一个部件，用于执行算术和逻辑运算。
• ACC: Accumulator，累加器，是CPU中的一个寄存器，用于存储中间结果和最终结果。
• MQ: Multiplier-Quotient，乘法器/商寄存器，是CPU中的一个寄存器，用于存储乘法和除法运算的中间结果。
• X: Index Register，索引寄存器，是CPU中的一个寄存器，用于存储数据的地址偏移量。
• MAR: Memory Address Register，存储器地址寄存器，用于存储要读写的存储单元的地址。
• MDR: Memory Data Register，存储器数据寄存器，用于存储从存储器中读取或写入的数据。
• I/O: Input/Output，输入/输出，是计算机与外部设备进行数据交换的接口。
• MIPS: Million Instructions Per Second，每秒百万条指令，是衡量计算机性能的一种指标。
• CPI: Cycles Per Instruction，每条指令执行的时钟周期数，是衡量计算机效率的一种指标。
• FLOPS: Floating Point Operations Per Second，每秒浮点运算次数，是衡量计算机浮点运算速度的一种指标。

7.指令和数据都存于存储器中,计算机如何区分它们?

在计算机中，指令和数据都存储在同一个存储器中，计算机通过使用指令寻址技术来区分它们。当计算机执行程序时，CPU从存储器中读取指令，并根据指令的操作码（Opcode）来执行相应的操作。指令通常包含一个操作码和操作数。操作码指示CPU要执行的操作类型，操作数提供操作的数据。

另外，通常指令和数据都有不同的地址空间。指令通常存储在程序存储器（Program Memory）中，数据则存储在数据存储器（Data Memory）中。CPU可以通过不同的地址总线访问这两个存储器，从而避免指令和数据之间的混淆。

8.什么是指令?什么是程序?

指令是一种计算机指令，用于告诉计算机执行一个特定的操作或操作序列。指令通常由操作码和操作数组成，其中操作码指示计算机要执行的操作类型，操作数则提供操作所需的数据。

程序是由一系列计算机指令组成的指令序列。程序通常被编写为高级编程语言，然后由编译器将其转换为机器语言指令序列。程序可以执行各种任务，例如从输入设备读取数据，处理数据并将结果输出到输出设备。程序还可以控制计算机的其他操作，例如控制外设，管理文件系统等等。

程序一般由多条指令组成，每条指令都执行某个特定的操作。程序可以被编写成脚本，可以在操作系统中直接运行，也可以被编译成可执行文件，在计算机中直接运行。程序是计算机的核心组成部分，它们实现了计算机的各种功能。

9.翻译程序、汇编程序、编译程序、解释程序有什么差别？各自的特性是什么

翻译程序是指把高级语言源程序翻译成机器语言程序（目标代码）的软件。
翻译程序有两种：一种是编译程序，它将高级语言源程序一次全部翻译成目标程序，每次执行程序时，只需执行目标程序，因此只要源程序不变，就无须重新翻译，请注意同一种高级语言在不同体系结构下，编译成目标程序是不一样的，目标程序与体系结构相关，但仍不是计算机硬件能够直接执行的程序。另一种是解释程序，它将源程序的一条语句翻译成对应的机器目标代码，并立即执行，然后翻译下一条源程序语句并执行，直至所有源程序语句全部被翻译并执行完。所以解释程序的执行过程是翻译一句执行一句，并且不会生成目标程序。
汇编程序也是一种语言翻译程序，它把汇编语言源程序翻译为机器语言程序。汇编语言是种面向机器的低级语言，是机器语言的符号表示，与机器语言一一对应。
编译程序与汇编程序的区別：若源语言是诸如C、C++、Java等“高级语言”，而目标语言是诸如汇编语言或机器语言之类的“低级语言”，则这样的一个翻译程序称为编译程序。若源语言是汇编语言，而目标语言是机器语言，则这样的一个翻译程序称为汇编程序。

5.3考研题

1.（P10-22）【2009统考真题】冯·诺依曼计算机中指令和数据均以二进制形式存放在存储器中，CPU区分它们的依据是（C）。

A.指令操作码的译码结果

B.指令和数据的寻址方式

C.指令周期的不同阶段

D.指令和数据所在的存储单元

2.（P10-23）【2016统考真题】将高级语言源程序转换为机器级目标代码文件的程序是（C）。

A.汇编程序

B.链接程序

C.编译程序

D.解释程序

3.（P10-24）【2015统考真题】计算机硬件能够直接执行的是（A）。

I.机器语言程序 Ⅱ.汇编语言程序 Ⅱ.硬件描述语言程序

A.仅I

B.仅I、Ⅱ

C.仅I、III

D.I、II、III

4.（P10-25）【2019统考真题】下列关于冯·诺依曼计算机基本思想的叙述中，错误的是（C）。

A.程序的功能都通过中央处理器执行指令实现

B.指令和数据都用二进制数表示，形式上无差别

C.指令按地址访问，数据都在指令中直接给出

D.程序执行前，指令和数据需预先存放在存储器中

冯·诺依曼计算机的基本思想是指令和数据存储在同一存储器中，用二进制数表示，程序由指令序列控制。选项C中指令和数据的描述错误，因为指令和数据在存储器中存储的方式相同，都需要按地址访问，而不是数据在指令中直接给出。因此，选项C是错误的。

5.（P10-26）【2022统考真题】将高级语言源程序转换为可执行目标文件的主要过程是（A）。

A.预处理→编译→汇编→链接

B.预处理→汇编→编译→链接

C.预处理→编译→链接→汇编

D.预处理→汇编→链接→编译

6.（P16-15）【2010统考真题】下列选项中，能缩短程序执行时间的措施是（D）。

I.提高CPU时钟频率 Ⅱ.优化数据通路结构 Ⅲ.对程序进行编译优化

A.仅I和Ⅱ

B.仅I和III

C.仅Ⅱ和Ⅲ

D.I、Ⅱ、Ⅲ

提高CPU时钟频率可以使CPU在单位时间内执行更多的指令，优化数据通路结构可以减少指令执行所需的时间，对程序进行编译优化可以使程序在执行时更加高效。因此，选项D是正确的。

7.（P16-16）【2011统考真题】下列选项中，描述浮点数操作速度指标的是（）。

A.MIPS

B.CPI

C.IPC

D.MFLOPS

A. MIPS（Million Instructions Per Second）是指每秒钟能够执行的百万条指令数，是衡量计算机性能的一种指标。

B. CPI（Cycles Per Instruction）是指完成一条指令所需的时钟周期数，是衡量指令执行效率的指标。

C. IPC（Instructions Per Cycle）是指每个时钟周期内能够执行的指令条数，是衡量CPU执行效率的指标，与CPI互为倒数。

D. MFLOPS（Million Floating-point Operations Per Second）是指每秒钟能够执行的百万次浮点运算数，是衡量计算机浮点数运算速度的一种指标。

8.（P16-17）【2012统考真题】假定基准程序A在某计算机上的运行时间为100s,其中90s为CPU时间，其余为I/O时间。若CPU速度提高50%，I/O速度不变，则运行基准程序A所耗费的时间是（D）。

A.55s

B.60s

C.65s

D.70s

9.（P17-18）【2013统考真题】某计算机的主频为1.2GHz,其指令分为4类，它们在基准程序中所占比例及CPI如下表所示。

指令类型	所占比例	CPI	指令类型	所占比例	CPI
A	50%	2	C	10%	4
B	20%	3	D	20%	3

该机的MIPS数是（C）。

A.100

B.200

C.400

D.600

根据 MIPS 公式，MIPS = (CPU 主频 / CPI) * 指令条数 * 10^(-6)。因此，首先需要计算 CPI 的加权平均值：

CPI = (0.5 * 2 + 0.2 * 3 + 0.1 * 4 + 0.2 * 3) = 2.3

指令条数可以通过将每个指令类型所占比例乘以总指令条数来计算。假设总指令条数为 N，则有：

0.5N + 0.2N + 0.1N + 0.2N = N

因此，每个指令类型的指令条数分别为 0.5N、0.2N、0.1N 和 0.2N。代入 MIPS 公式得：

MIPS = (1.2 GHz / 2.3) * (0.5N + 0.2N + 0.1N + 0.2N) * 10^(-6)

化简得：

MIPS = 0.52N

题目中没有给出总指令条数 N，但是根据指令类型的比例，可以假设 N 是一个可以被 10 整除的数。因此，考虑使 0.52N 是一个能被 100 整除的数的最小的 N，可以得到 N = 192，此时：

MIPS = 0.52N = 0.52 * 192 = 99.84 ≈ 100

因此，该计算机的 MIPS 数约为 100。答案选项中最接近 100 的是选项 A，但由于答案可能存在舍入误差，因此选项 A 和 B 均可接受

10.（P18-22）【2021统考真题】2017年公布的全球超级计算机TOP500排名中，我国“神威·太湖之光”超级计算机蝉联第一，其浮点运算速度为93.0146 PFLOPS,说明该计算机每秒钟内完成的浮点操作次数约为（D）。

A.9.3×1013次

B.9.3×1015次

C.9.3千万亿次

D.9.3亿亿次