《计算机组成原理》学习与思考：1.计算机系统概述

写在最前面：

        本系列文章主要记录本科时期计算机组成原理课程的学习内容，以及自身对于课程知识的体会与理解。本科的学习过程中，笔者发现多数的专业类课程授课时，对于作业的练习和讲解所占时间并不长。课本上的习题答案多数可以在网络上找到，但寻找参考答案的过程可能并不顺利。

        学习之余，针对所学的一些内容和练习的课后习题，笔者有一些粗浅的理解与思考，希望能通过文章的方式，帮助后来的学习者掌握这门课程的学习。

        笔者的经验：题海战术不如深刻领悟。

        习题教材：《计算机组成原理 第二版》任国林编著

摘要：

        本课程主要分为七章的知识，从宏观概述到计算机各部件的工作原理，进行了深刻详尽的讲解。第一部分名为计算机系统概述，该章节以宏观的视角带领初学者，理解何为计算机，计算机工作的原理，以及软件、硬件、性能指标等相关计算机知识。笔者就课程学习中的作业练习，记录自身的理解与感悟。

        备注：笔者答案以学习时自身答案为主，大部分参考正确答案做出修订，少部分表述与标准答案不同，便于自身学习理解。

1. 计算机的工作方式
2. 计算机的部件及其互连
3. 计算机的性能指标

一、计算机的工作方式

本章的重点内容。理解冯诺依曼模型的基础上，理解主存、CPU之间的存储程序方式，以及工作时的循环。这里的作业习题以简答为主。

1.3 存储程序工作方式的基本思想是什么？

答：程序和数据预先存放在存储器中，机器工作时，自动、逐条地从存储器中取出指令并执行。

教材与ppt有几乎与原话相同的表述，计算机工作的核心思想，要充分理解含义。在院校考试时也喜欢作为考察重点进行考察。

1.10 程序执行的过程是什么？计算机中通常采用什么实现方案？

理解指令循环的执行过程，知道都有那些阶段，每个阶段各自的任务是什么，答案为：

程序执行过程是一个循环的指令执行过程，循环变量为指令地址，指令执行过程又可分为取指令、分析指令、执行指令三个阶段。

应详细叙述三阶段的具体任务。结合第二问采用实现方案，在叙述中描述三个过程用到了哪些硬件（PC,IR,ID）故答案为：

计算机通常用寄存器PC存放指令地址，用寄存器IR存放当前指令内容。指令执行过程中，取指令阶段用PC的内容作为地址从主存中读出指令，并存放到IR中；分析指令阶段用ID分析出IR中内容包含的操作类型、操作数信息；执行指令阶段根据指令分析的结果，实现相应的约定操作。

二、计算机的部件及其互连

冯诺依曼结构指出，计算机有5大基础部件，以总线的方式互联。本章内容讲解了各个硬件的基本功能，以及总线互连的基本知识。

1.4 计算机的硬件由哪些部件组成？它们各有哪些功能？这些部件如何连接？

本问题有3小问，让我们分别思考。第一问要掌握的知识是5大硬件的概念，理解冯诺依曼模型就不难回答。

答（1）计算机的硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成

第二小问延续，进一步掌握5大硬件的功能。在本课程中，运算器在第二章讲解，存储器在第三章讲解，控制器在第五章讲解，输入输出在第七章讲解。故本章节学习，应先对硬件部件有宏观功能性概念。

答（2）输入设备、输出设备负责程序和数据的输入、输出；存储器负责存储程序和数据；运算器负责处理数据；控制器负责指挥和控制各部件协调工作，以实现程序的自动执行。

第三小问需要掌握部件的互连知识。本课程的串行机情境下，互连为总线。

答（3）计算机硬件的各个部件都通过总线互连。

三、计算机的性能指标

衡量计算机性能的标准。常见概念如CPU执行时间，主频，吞吐量等。计算中往往涉及CPU执行时间较多。需掌握公式。

1.16. 计算机M的时钟频率为2 GHz；指令集包含A、B两类指令，指令长度都为2个字节，指令执行时的CPI分别为5和8。某程序P的大小为2 MB，其中40%为A类指令，其余为B类指令。程序P执行时，10%的A类指令和20%的B类指令分别执行了20次，其余指令各执行了1次。求程序P执行时的CPU时间及CPI。

解：求解CPU时间需要掌握相关公式

分析：题目给出了时钟频率。注意时钟频率最后计算时，要取倒数（频率与时间关系，计算的易错点）。

2GHz=1/(2×10^9)s

程序P的大小为2MB，指令长度2字节=2B，我们可将存储空间视为一维线性地址。故首先程序P指令条数我们可求得：

                                                2MB/2B＝2^20条

其中，根据所占百分比，A类指令为0.4×2^20条，B类指令为0.6×2^20条。

由CPU时间公式，已知CPI分别为5、8，要确定指令执行的次数。10%的A指令执行20次，其余执行1次，故对于A指令的执行次数为：

                                        0.4×2^20×(10%×20＋90%×1)＝1.16×2^20

同理可得，B类指令执行次数：

                                        0.6×2^20×(20%×20＋80%×1)＝2.88×2^20

共执行了1.16×2^20＋2.88×2^20＝4.04×2^20条指令。

因此，执行次数，CPI，时钟主频均已知，CPU时间带入上述公式，可计算得：

                        (1.16×2^20×5＋2.88×2^20×8)/(2×10^9)＝14.42×2^20×10^9≈15.12ms

最后，求解平均CPI，利用加权平均的方法，求A,B类指令执行次数占程序真正执行指令占比得到权重，加权平均计算得出结果：

                        CPI＝(1.16×2^20×5＋2.88×2^20×8)/(4.04×2^20)≈7.13

本类计算题需理解CPU时间公式的计算方法，根据题目条件，逐步找到指令执行条数、主频、CPI来进行相关计算。