计算系统概述核心知识图谱(考研专项版)

计算机系统核心知识图谱(考研专项版)


🔍 计算机分类:细化对比与考点映射

电子模拟 vs 数字计算机对比表(常考选择题)

特性 电子模拟计算机 电子数字计算机
信号类型 连续物理量(电压/温度) 离散数字信号(二进制)
精度 低(误差1%-0.1%) 极高(理论无限精度)
运算方式 并行模拟电路 串行/并行数字电路
存储能力 无独立存储器 分层存储体系
典型应用 🌟仪表控制系统(如PID调节) 通用计算、数据处理

专用计算机新增考点

  • DSP芯片特性:哈佛结构(指令与数据分开存储)、硬件乘法器、零开销循环
  • SoC系统:ARM Cortex-M系列典型案例(如STM32集成ADC/DSP/ Timer)

🚀 计算机发展阶段:关键技术突破补充

代际关键创新点

1958年肖克利获诺奖 1958年德州仪器首块IC 1971年Intel 4004 2000年多核革命 第一代 电子管 第二代 晶体管 第三代 中小规模IC 第四代 VLSI 第五代 异构计算

🌟考点提示

  1. 三代机重要转变:操作系统的诞生(如UNIX雏形)
  2. 冯诺伊曼瓶颈突破:现代计算机采用哈佛混合架构(CPU内部高速缓存分流)

💾 存储器发展:新型技术补充

存储技术演进轴

磁芯 → DRAM(三管→单管) → SDRAM → DDR4 → HBM(3D堆叠)

新型存储器(可能出简答)

类型 特性 应用场景
PCRAM 相变原理,高密度 替代NAND Flash
MRAM 磁阻效应,写入速度快 工业级缓存
ReRAM 电阻变化,低功耗 物联网设备

⚙ CPU架构演进:重点公式补充

🌟性能公式(必背)

  1. 程序执行时间 = 指令数 × CPI × 时钟周期
  2. CPU时间 = (指令数 × CPI) / 主频
  3. Amdahl定律:S = 1 / [ (1 - α) + α/k ]

超标量与流水线(简答题要点)

  • 流水线冒险:数据/控制/结构冒险解决方案
  • 超标量执行:Pentium的U/V流水线设计
  • 分支预测:动态预测(两位饱和计数器)

🧮 性能评价:真题题型强化

MIPS计算例题(经典题型)

【题目】某处理器主频2GHz,执行测试程序100万条指令,平均CPI=1.5,求:

  1. 程序执行时间(秒)
  2. MIPS值

【解】

  1. T = (100万 × 1.5) / 2×10^9 = 0.00075秒
  2. MIPS = (100万 / 0.00075) / 1e6 ≈ 1333.3

SPEC基准测试要点

  • 测试集组成:12个整数程序+17个浮点程序(SPEC2017)
  • 结果表示:Base值(禁止编译器优化)与Peak值

🧭 层次结构:分层模型模拟题

计算机抽象层历年真题

  1. 操作系统的三个基本抽象:

    • 进程(虚拟CPU)
    • 地址空间(虚拟内存)
    • 文件(虚拟磁盘)
  2. 🌟微程序控制层:

    • 位于硬件层与操作系统层之间
    • 将机器指令转换为控制信号序列

✏ 考研重点标注(近5年高频考点)

  1. 摩尔定律的未来:More than Moore路线(三维集成/存算一体)
  2. RISC vs CISC:ARM与x86架构对比(寄存器数量/指令格式)
  3. 存储墙问题:通过Cache分级与预取算法优化
  4. 异构计算:CPU+GPU+FPGA的协同计算模式

🗂 知识结构脑图(思维可视化)

计算机系统 硬件 软件 CPU 存储体系 总线架构 操作系统 编译系统 多核架构 流水线 Cache映射 虚拟内存

建议将此笔记与《计算机组成与设计:硬件/软件接口》教材配套使用,重点关注第1、4、5章的知识延伸部分。每次复习时可结合思维导图进行知识体系重构。

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