DSE ICT｜电脑系统硬件与周边装置备课指引（导师用）

DSE ICT｜电脑系统硬件与周边装置备课指引（导师用）｜CPU 效能、记忆层级与 I/O 瓶颈

2026-11-02

学生识讲“呢部机快些”，但讲不出快在哪一个零件。这一堂用三条算式，把“快”拆成时脉、快取命中率同硬盘转速。

本堂目标　学生能够：① 用时脉与 CPI 算出每秒指令数，并解释为何时脉高不等于一定快；② 用命中率与失误惩罚算出平均记忆存取时间（AMAT = 6 个周期），讲出快取的作用；③ 由搜寻时间、转速与传输率算出硬盘 4 MB 档案的存取时间约 46.5 毫秒，并解释 SSD 为何快约 465 倍。

01　先备知识（开课前 3 分钟快检）

以下任何一项未过关，本堂就会卡住，先补该项：

技能	快检题	过关标准
时脉	3.2 GHz 是每秒几多个周期	32 亿个
单位换算	8 GB 等于几多 MB	8,192 MB，即 2^33 字节
平均数	九成半命中、半成失误，平均几多	按比例加权，不是取中间

02　课堂流程（60 分钟）

时间	环节	导师做什么	学生做什么
0–10 分	一部机的五个部件	CPU、内存、储存、输入、输出	讲出资料流向
10–22 分	CPU 效能	时脉、CPI、每秒指令数	算出 1.28 亿万条
22–34 分	记忆层级	暂存器、快取、RAM、硬盘	算出 AMAT 6 周期
34–44 分	I/O 瓶颈	搜寻、旋转延迟、传输率	算出 46.5 毫秒
44–54 分	周边装置选型	扫描器、打印机、触控与分辨率	按用途给理由
54–60 分	离场检查	三题即场批	三题全对

03　讲解脚本（照着说就可以）

第一幕：时脉是心跳，CPI 是每一步要几多跳

CPU 时脉 3.2 GHz，即每秒 32 亿个周期。若平均每条指令要 2.5 个周期（CPI），每秒可执行 3.2 × 10⁹ ÷ 2.5 = 1.28 × 10⁹ 条指令，约 1.28 GOPS。
所以“时脉高就快”只在一半情况下成立：另一部机时脉 2.8 GHz 但 CPI 只 1.4，每秒 2.0 × 10⁹ 条，反而更快。要看的是时脉 ÷ CPI，再加上核心数。
核心数不是直接乘：两个核心要程式可以并行才有用，否则一个核心做、另一个等。
周边装置接在这里：键盘、鼠标属输入，萤幕、打印机属输出，触控萤幕与网络卡同时做两边。接得慢，CPU 再快都要等。

要学生讲：3.2 GHz 的机为何可能比 2.8 GHz 的机慢（CPI 不同，核心能否并行）。

第二幕：记忆层级：用命中率换时间

层级由快到慢：暂存器（一个周期内）、L1/L2 快取、RAM、SSD、硬盘。
快取命中要 1 个周期，失误要付 100 个周期的惩罚。命中率 95%，平均存取时间 AMAT = 1 + 0.05 × 100 = 6 个周期。
若命中率跌到 80%，AMAT = 1 + 0.2 × 100 = 21 个周期，慢三倍半。所以程式资料摆放方式（区域性）直接影响速度。
容量换算要熟：8 GB = 8 × 1,024 MB = 8,192 MB；页面 4 KB 的话，8 GB 有 8 × 1024³ ÷ 4096 = 2,097,152 页。
RAM 是挥发性，断电即失；SSD 与硬盘非挥发性。这一条几乎每年都考。

要学生讲：命中率由 95% 跌到 80%，为何平均时间由 6 升到 21 周期（失误惩罚被放大）。

第三幕：硬盘三个延迟加起来才是真相

存取一个 4 MB 档案：搜寻时间 9 毫秒；7,200 rpm 的转速，每转 60 ÷ 7,200 = 8.33 毫秒，平均旋转延迟是一半 = 4.17 毫秒；传输率 120 MB/s，4 MB 要 33.33 毫秒。合计 ≈ 46.5 毫秒。
同一档案在 SSD 约 0.1 毫秒，快约 465 倍，分别就在“没有机械件、不用等转”这两个延迟。
所以换 SSD 对开机与载入特别有效，对纯 CPU 运算影响很小——这是答题最常考的分辨。
选周边要按用途讲理由：文件扫描要光学分辨率与馈纸器；相片打印要墨滴大小与色域；触控要取样率而不是只看尺寸。

要学生讲：换 SSD 为何令开机快但转片慢（I/O 瓶颈与 CPU 瓶颈的分别）。

04　必教题型与步骤

题型	例子	步骤	答案
计算	每秒指令数	时脉 ÷ CPI	1.28 × 10⁹
计算	平均记忆存取时间	命中时间 + 失误率 × 惩罚	6 个周期
计算	硬盘存取时间	搜寻 + 旋转延迟 + 传输	46.5 毫秒
解释	周边装置选型	按用途讲分辨率、速度、成本	每项要有理由

合理性检查（一定要教）：GHz 是 10⁹，不是 10⁶；单位错就整条题差一千倍。
AMAT 的失误率是 1 − 命中率，不是命中率。
旋转延迟取平均是一转时间的一半，不是全转。
1 GB 用 1,024 MB（二进制），不是 1,000 MB，除非题目明讲十进制。
核心数与时脉不能直接相乘当效能，要看程式能否并行。

05　独立练习三题

题目	答案	想观察什么
3.2 GHz、CPI 2.5 的每秒指令数	1.28 × 10⁹	3.2e9 ÷ 2.5
命中率 95%、惩罚 100 周期的 AMAT	6 个周期	1 + 0.05 × 100
4 MB 档案在 120 MB/s 的传输时间	33.33 毫秒	4 ÷ 120 × 1000

06　学生常见错误与纠正句

错误	学生通常这样写	导师这样说
用命中率乘惩罚	答“1 + 0.95 × 100”	“失误率先系乘数：0.05 × 100，命中的部分只系 1。”
忘记旋转延迟取一半	答“加 8.33 毫秒”	“平均要等半转，即 4.17 毫秒。”
把 1 GB 当 1,000 MB	答“8 GB = 8,000 MB”	“二进制系 1,024，8 GB = 8,192 MB。”
以为换 SSD 一定样样快	答“换了 SSD 连转片都快一倍”	“I/O 快，CPU 运算不会因此变快。”

07　家课建议（直接指到练习卷题号）

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08　离场检查（最后 5 分钟）

题目	答案	判定
3.2 GHz、CPI 2.5 的每秒指令数	1.28 × 10⁹	三题全对＝可进 I/O
命中率 95% 的 AMAT	6 个周期	错一题＝下堂前重讲失误率
旋转延迟的平均值	4.17 毫秒	错两题以上＝回到第三幕

09　导师常问

要背具体型号规格吗？

不必。要能用题目给的时脉、CPI、转速算，并解释瓶颈在哪。

快取愈大是否一定好？

命中率会升，但成本、耗电与面积上升，而且超过工作集大小后回报递减。

SSD 有缺点吗？

有：每 GB 成本较高、写入次数有限、资料救援较难，答题讲两项就够。

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