计算机组成原理(白中英) 第一章 课后题答案

1. 比较数字计算机和模拟计算机的特点。
   答：①工作原理不同：数字计算机内部处理的是称为数字信号的电信号，特点是离散；模拟计算机内部使用的电信号为自然界实际信号，称为模拟信号，运算的过程是连续的。

   ②处理数据方法不同：模拟计算机能够处理温度波动等复杂现象的连续变化的输入。数字计算机必须将其输入简化为二进制语言，才能准确地模拟世界。

   ③结构性能不同：数字计算机因为内部使用了数字信号进行处理，因此组成结构和性能较好；而模拟计算机的所有处理过程均需要模拟电路实现，电路结构复杂，抗干扰性差。

   ④运算速度不同：数字计算机因为使用二进制，运算速度较模拟计算机快得多。

2. 数字计算机如何分类？分类的依据是什么？
   答：①按存储量大小分类：分为巨型、大型、中型、小型机和微型机。

   ②从传输方式和操作方式分类：分为串行机和并行机。

   ③按电路组成分类：分为电子管、晶体管、集成电路、大规模集成电路。

   ④按用途分类：分为通用计算机、数据处理机和控制机。

3. 数字计算机有哪些主要应用？
   答：①通用机：用于计算科研中复杂的数学问题，解决微分方程、代数方程等；用于研究物体运动规律，研究导弹、人造卫星的运动轨迹等；选择最佳方案，桥梁、厂房等的设计方案。

   ②数据处理机：用于综合分析数据。对实验、观测数据等进行归纳、整理、分类和统计，绘制数据分布曲线并打印报表。

   ③控制机：及时搜集检测数据，经过计算和判断，按最佳值进行自动控制或自动调节。

4. 冯·诺依曼型计算机的主要设计思想是什么？它包括哪些主要组成部分？
   答：主要设计思想：
   ①采用二进制表示数据和指令，指令由操作码和地址码组成。

   ②存储程序，程序控制：将程序和数据存放在存储器中，计算机工作时从存储器取出指令并执行，完成计算。

   ③指令顺序执行。程序分支由JMP等转移指令实现。
   主要组成部分：存储器、运算器、控制器、输入设备、输出设备

5. 什么是存贮容量？什么是单位地址？什么是数据字？什么是指令字？
   答：存贮容量：存储器可以容纳的二进制信息量，表示为存储容量=地址寄存器MAR的编址数（存储单元个数）×存储字位数（存储字长/存储单元大小）。

   单位地址：是存储器中存储单元的编号，存储器是由大量存储单元组成，每个存储单元存放一个字节量（8位）的数据。常用四个16进制的数来表示一个地址。

   数据字：某字代表要处理的数据

   指令字：某字为一条指令

6. 什么是指令？什么是程序？
   答：指令：指令是机器所能领会的一组编排成特定格式的代码串，它要求机器在一个指令周期内，完成一组特定的操作，通知CPU执行某种操作的“命令”。如 AX+BX→AX 指令就是让CPU将AX寄存器和BX寄存器中的数相加，并将结果放入AX寄存器中。指令是CPU操作的基本单位。

   程序：程序是为特定问题求解而设计的指令序列，计算机程序由指令构成。

7. 指令和数据均放在内存里，计算机如何区分开它们是指令还是数据的？

   答：①虽然指令和数据都是以二进制形式存放在存储器中，但CPU可以根据指令周期的不同阶段来区分是指令还是数据，通常在取指阶段（或取指微程序）取出的是指令，在执行阶段（或相应微程序）取出的是数据。

   ②通过地址来源区分。由PC提供存储单元地址的取出的是指令，由指令地址码部分提供存储单元地址的取出的是操作数。

   ③CPU只有在确定取出的是指令之后，才会将其操作码送去译码，因此，不能依据译码的结果来区分指令和数据。

   ④指令和数据的寻址方式是不足以区分取出的内容是指令还是数据的。

   ⑤指令和数据都是以二进制的形式存储在主存单元中的，因此，根据指令和数据所在的存储单元是不能进行区分的。

8. 什么是内存？什么是外存？什么是CPU？什么是接口？简述其功能。
   答：存储器是用来存储程序和数据的部件，具有记忆功能，保证计算机正常工作。存储器的种类很多，按其用途可分为主存储器和辅助存储器，主存储器又称内存储器（简称内存），辅助存储器又称外存储器（简称外存）。

   外存：外存通常是磁性介质或光盘，像硬盘，软盘，磁带，CD等，能长期保存信息，并且不依赖于电来保存信息。但其由机械部件带动，速度与CPU相比就显得慢的多。

   内存：内存指的就是主板上的存储部件，是CPU直接与之沟通，并用其存储数据的部件，存放当前正在使用的（即执行中）的数据和程序，它的物理实质就是一组或多组具备数据输入输出和数据存储功能的集成电路，内存只用于暂时存放程序和数据，一旦关闭电源或发生断电，其中的程序和数据就会丢失。

   CPU：CPU是计算机的主要设备之一，功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。CPU主要包括两个部分，即控制器、运算器，其中还包括高速缓冲存储器及实现它们之间联系的数据、控制的总线。

   接口：同一计算机不同功能层之间的通信规则称为接口。接口泛指实体把自己提供给外界的一种抽象化物，其内部对外界屏蔽，具有封装的特性。

9. 计算机的系统软件包括哪几类？说明他们的用途。
   答：①操作系统类：控制和管理计算机各种资源、自动调度用户作业程序、处理各种中断的软件，是用户与计算机的接口。

   ②语言处理程序类：计算机能识别的语言与机器能直接执行的语言并不一致。计算机能够识别的语言编制的程序称为源程序，如：C语言。用机器语言编制的程序，称为目标程序。语言程序将源程序翻译成目标程序。

   ③服务性程序类：诊断程序、调试程序等。

   ④数据库管理系统类：有组织地、动态地存贮大量数据，使人们能方便、高效地使用这些数据。数据库管理系统是一种操纵和管理数据库的大型软件，用于建立、使用和维护数据库。

10. 说明软件发展的演变过程。
    答：①程序设计阶段（20世纪40-50年代）：尚无软件的概念，程序设计主要围绕硬件进行开发，规模很小，工具简单，无明确分工（开发者和用户），程序设计追求节省空间和编程技巧，无文档资料（除程序清单外），主要用于科学计算。

    ②软件设计阶段（20世纪50-70年代）：硬件环境相对稳定，开始广泛使用产品软件（可购买），从而建立了软件的概念。软件系统的规模越来越庞大，高级编程语言层出不穷，应用领域不断拓宽，开发者和用户有了明确的分工。

    ③软件工程阶段（20世纪70年代起）：硬件已向巨型化、微型化、网络化和智能化四个方向发展，数据库技术已成熟并广泛应用。
    

11. 现代计算机系统如何进行多级划分？这种分级观点对计算机会产生什么影响？
    答：①现代计算机系统可分为七个层次，第0级是硬联逻辑级；第1级是微程序设计级；第2级是一般机器级；第3级是操作系统级；第4级是汇编语言级；第5级是高级语言级；第6级是应用语言级。
    ②多级层次结构是从使用语言的角度，基于程序员与计算机系统对话中所采用的语言结构和语义划分。有利于正确理解计算机系统的工作过程，明确软件，硬件在计算机系统中的地位和作用。

12. 为什么软件能够转化为硬件？硬件能够转化为软件？实现这种转换的媒介是什么？
    答：①硬件和软件的逻辑等价性，使得任何操作可以由软件来实现，也可由硬件来实现；任何指令的执行可以由硬件来完成，同样也可以由软件来完成。

    ②固件是软件和硬件相互转化的媒介。将程序固定在ROM中组成的部件称为固件。固件是一种具有软件特性的硬件，它具有硬件的快速性特点，又有软件的灵活性特点。

思考题：

1. 冯诺依曼计算机体系结构核心思想是什么
   答：①数字计算机的数制采用二进制。采用二进制作为计算机数值计算的基础，以0、1代表数值。不采用人类常用的十进制计数方法，二进制使得计算机容易实现数值的计算。

   ②计算机应该按照程序顺序执行。程序或指令的顺序执行，即预先编好程序，然后交给计算机按照程序中预先定义好的顺序进行数值计算。

2. 为什么冯诺依曼体系结构选择二进制？
   答：①两个状态的系统在物理上容易实现。因为二进制代码简单，对于机器来说通电和断电是很容易做到的事，用计算机电子器件的截止和饱和两个稳态，即高电平和低电平来表示“0”和“1”，其实现非常容易。如果采用十进制，就不好在物理层面上操作。

   ②二进制运算规则远比十进制简单、可进行逻辑运算，这样使计算机结构大为简化，运算速度大大提高。

3. 指令和数据在冯诺依曼计算机如何区分？
   答：①虽然指令和数据都是以二进制形式存放在存储器中，但CPU可以根据指令周期的不同阶段来区分是指令还是数据，通常在取指阶段（或取指微程序）取出的是指令，在执行阶段（或相应微程序）取出的是数据。

   ②通过地址来源区分。由PC提供存储单元地址的取出的是指令，由指令地址码部分提供存储单元地址的取出的是操作数。

   ③CPU只有在确定取出的是指令之后，才会将其操作码送去译码，因此，不能依据译码的结果来区分指令和数据。

   ④指令和数据的寻址方式是不足以区分取出的内容是指令还是数据的。

   ⑤指令和数据都是以二进制的形式存储在主存单元中的，因此，根据指令和数据所在的存储单元是不能进行区分的。

4. 计算机与计算工具区别是什么？
   答：①计算器只是简单的计算工具，有些机型具备函数计算功能，有些机型具备一定的贮存功能，但一般只能存储几组数据。计算机则具备复杂存贮功能、控制功能，更加强大。

   ②以自动化程度来区别二者，就在于是否需要人工干预其运行。计算器不能自动地实现数据的录入、处理、存储和输出，必须由人来操作完成。而计算机通过编制程序能够自动进行处理。

   ③是否具有扩展性是二者的本质区别。计算器使用的是固化的处理程序，只能完成特定的计算任务；而计算机借助操作系统平台和各类应用软硬件，可以无限扩展其应用领域。

5. 逻辑等价性有何含义？
   答：①软件与硬件的（逻辑）等价性原理：任何一个由软件所完成的操作也可以直接由硬件来实现，任何一条由硬件所执行的指令也能用软件来完成。

   ②等价是指软硬件在逻辑功能上的等价，并不是性能和成本的等价。

   ③正是性能和成本的不等价，才使得我们需要根据应用问题，选择使用硬件还是软件实现。