计算机组成原理（第三版）唐朔飞-第一章第二章-课后习题

第一章

1.1什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件?硬件和软件哪个更重要?

答：
计算机系统:由计算机硬件系统和软件系统组成的综合体。
计算机硬件:指计算机中的电子线路和物理装置。
计算机软件:计算机运行所需的程序及相关资料。
硬件和软件在计算机系统中相互依存，缺一不可，因此同样重要。

1.2 如何理解计算机系统的层次结构?

答：
从计算机系统的层次结构来看,它通常可有五个以上的不同级组成,每一个上都能进行程序设计。
由下至上可排序为:
第一级微程序机器级,微指令由硬件直接执行;
第二级传统机器级,用微程序解释机器指令;
第三级操作系统级,一般用机器语言程序解释作业控制语句;
第四级汇编语言机器级,这一级由汇编程序支持合执行;
第五级高级语言机器级,采用高级语言,由各种高级语言编译程序支持合执行,
还可以有第六级应用语言机器级,采用各种面向问题的应用语言。

1.3 说明高级语言、汇编语言和机器语言的差别及其联系。

答：
机器语言是计算机硬件能够直接识别的语言，汇编语言是机器语言的符号表示，高级语言是面向算法的语言。高级语言编写的程序（源程序）处于最高层，必须翻译成汇编语言，再由汇编程序汇编成机器语言（目标程序）之后才能被执行。

1.4 如何理解计算机组成和计算机体系结构?

答：
计算机组成是指如何实现计算机体系结构所体现的属性,它包含了许多对程序员来说是透明的硬件细节。
计算机体系结构是指那些能够被程序员所见到的计算机系统的属性,即概念性的结构与功能特性,通常是指用机器语言编程的程序员所看到的传统机器的属性,包括指令集、数据类型、存储器寻址技术、I/O机理等等,大都属于抽象的属性。

1.5冯·诺依曼计算机的特点是什么?

答：
计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件组成;
指令和数据以同等地位存放于存储器内，并可以按地址访问;
指令和数据均用二进制表示;
指令由操作码、地址码两大部分组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置;
指令在存储器中顺序存放。通常，指令是顺序执行的，在特定条件下，可根据运算结果或根据特定的条件改变执行顺序。
机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器的数据传送通过运算器完成。。

1.6画出计算机硬件组成框图,说明各部件的作用及计算机硬件的主要技术指标。

答:
计算机硬件组成框图如下:

各部件的作用如下;
控制器:整机的指挥中心，它使计算机的各个部件自动协调工作
运算器:对数据信息进行处理的部件，用来进行算术运算和逻辑运算。
存储器:存放程序和数据，是计算机实现“存储程序控制”的基础。
输入设备:将人们熟悉的信息形式转换成计算机可以接受并识别的信息形式的设备。
输出设备:将计算机处理的结果(二进制信息)转换成人类或其它设备可以接收和识别的信息形式的设备。

计算机系统的主要技术指标有:
机器字长:指CPU一次能处理的数据的位数。通常与CPU的寄存器的位数有关，字长越长，数的表示范围越大，精度也越高。机器字长也会影响计算机的运算速度。
数据通路宽度:数据总线一次能并行传送的数据位数。
存储容量:指能存储信息的最大容量，通常以字节来衡量。一般包含主存容量和辅存容量。
运算速度:通常用MIPS(每秒百万条指令)MFLOPS(每秒百万次浮点运算)或CPI(执行一条指令所需的时钟周期数)来衡量。CPU执行时间是指CPU对特定程序的执行时间。
主频:机器内部主时钟的运行频率，是衡量机器速度的重要参数。
吞吐量:指流入、处理和流出系统的信息速率。它主要取决于主存的存取周期。
响应时间:计算机系统对特定事件的响应时间，如实时响应外部中断的时间等。

1.7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。

答：
主机:是计算机硬件的主体部分，由CPU和主存储器MM合成为主机。
CPU:中央处理器，是计算机硬件的核心部件，由运算器和控制器组成;(早期的运算器和控制器不在同一芯片上，现在的CPU内除含有运算器和控制器外还集成了 CACHE)。
主存:计算机中存放正在运行的程序和数据的存储器，为计算机的主要工作存储器，可随机存取;由存储体、各种逻辑部件及控制电路组成。
存储单元:可存放一个机器字并具有特定存储地址的存储单位。
存储元件:存储一位二进制信息的物理元件，是存储器中最小的存储单位，又叫存储基元或存储元，不能单独存取。
存储字:一个存储单元所存二进制代码的逻辑单位。存储字长:一个存储单元所存二进制代码的位数。
存储容量:存储器中可存二进制代码的总量;(通常主、辅存容量分开描述)。
机器字长:指CPU一次能处理的二进制数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关。
指令字长:一条指令的二进制代码位数。

1.8解释英文代号:CPU、PC、IR、CU、ALU、ACC、MQ、X、MAR、MDR、I/O、MIPS、CPI、FLOPS。

答：
CPU:Central Processing Unit，中央处理机(器)，是计算机硬件的核心部件，主要由运算器和控制器组成。
PC:Program Counter，程序计数器，其功能是存放当前欲执行指令的地址，并可自动计数形成下一条指令地址。
IR:InstructionRegister，指令寄存器，其功能是存放当前正在执行的指令。
CU:Control Unit，控制单元(部件)，为控制器的核心部件，其功能是产生微操作命令序列。
ALU:Arithmetic Loqic Unit，算术逻辑运算单元，为运算器的核心部件，其功能是进行算术、逻辑运算。
ACC:Accumulator，累加器，是运算器中既能存放运算前的操作数，又能存放运算结果的寄存器
MQ:Multiplier-Quotient Reqister，乘商寄存器，乘法运算时存放乘数、除法时存放商的寄存器。
X:此字母没有专指的缩写含义，可以用作任一部件名，在此表示操作数寄存器，即运算器中工作寄存器之一，用来存放操作数;
MAR:Memorv Address Reaister，存储器地址寄存器，在主存中用来存放欲访问的存储单元的地址。
MDR:Memory Data Reqister，存储器数据缓冲寄存器，在主存中用来存放从某单元读出、或要写入某存储单元的数据。
I/O:Input/Output equipment，输入/输出设备，为输入设备和输出设备的总称，用于计算机内部和外界信息的转换与传送。
MIPS:Million Instruction Per Second，每秒执行百万条指令数，为计算机运算速度指标的一种计量单位。
CPI和FLOPS通常用来衡量运算速度。

1.9画出主机框图，分别以存数指令“STAM”和加法指令“ADDM”(M均为主存地址)为例,在图中按序标出完成该指令(包括取指阶段)的信息流程(如)。假设主存容量为256Mx32位,在指令字长、存储字长、机器字长相等的条件下,指出图中各寄存器的位数。

答：

(1)STA M指令:
PC→MAR,MAR→MM,MM→MDR,MDR→IR, OP(IR) →CU,Ad(IR)→MAR,ACC→MDR,MAR→MM,WR
(2)ADD M指令:
PC→MAR,MAR→MM,MM→MDR,MDR→IR,OP(IR)→CU,Ad(IR)→MAR,RD,MM→MDR,MDR→X,ADD,ALU→ACC,ACC→MDR,WR 假设主存容量256M*32位,在指令字长、存储字长、机器字长相等的条件下,ACC、X、IR、MDR寄存器均为32位,PC和MAR寄存器均为28位。

1.10根据迭代公式$\sqrt{x}=1/2(y_n+x/y_n)$,设初态$y_0=1$,要求精度为ε,试编制求$\sqrt{x}$的解题程序(指令系统自定),并结合所编程序简述计算机的解题过程。

答:
步骤：
1.取x至运算器
2.除以$y_0$，结果保存至运算器
3.加上$y_0$，结果保存至运算器
4.除以2，结果保存至运算器
5.将结果保存到存储器y0位置
6.乘以$y_0$，结果保存至运算器
7.减去x，结果保存至运算器
8.和$\epsilon 比较$，大于则跳转至1
9.输出
10.停机
程序

1.11指令和数据都存于存储器中,计算机如何区分它们?

解:计算机区分指令和数据有以下2种方法
通过不同的时间段来区分指令和数据，即在取指令阶段(或取指微程序)取出的为指令，在执行指令阶段(或相应微程序)取出的即为数据。
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。

1.12 什么是指令?什么是程序?

答:
指令是控制计算机进行某种指令的命令。CPU就是根据指令来指挥和控制计算机各部分协调地动作,完成规定的操作。指令是由二进制代码表示的。通常指令氛围操作码和操作数两部分:操作码规定操作的类型,操作数给出参加操作的数据或存放数据的地址。
为完成某项规定任务,把计算机指令按一定次序进行编排组合所行成的指令集称为程序。

程序在计算机中的执行过程实质就是执行人们所编制程序的过程,即逐条执行指令的过程。计算机每执行一条指令都可氛围三个简短进行,即取指令,分析指令和执行指令。取指令简短的任务是:根据程序计数器PC中的植从程序存储器读出现行指令,送到指令寄存器。分析指令阶段的任务是:将指令操作码取出后进行译码,分析其指令性质。如指令要求操作数,则寻找操作数地址。执行指令阶段的任务是:取出操作数,然后按照操作码的性质对操作数进行操作,即执行指令。计算机执行程序的过程实际上就是逐条指令地重复上述操作过程,直至停机指令或循环等待指令。

第二章

2.1通常,计算机的更新换代以什么为依据?

答:
主要以组成计篡机基本电路的元器件为依据，如电子管、晶体管、集成电路等。

2.2 举例说明专用计算机和通用计算机的区别。

答:
按照计算机的效率、速度、价格和运行的经济性和实用性可以将计算机划分为通用计算机和专用计算机。通用计算机适应性强，但牺牲了效率、速度和经济性，而专用计算机是最有效、最经济和最快的计算机，但适应性很差。例如个人电脑和计算器。

2.3 什么是摩尔定律?该定律是否水远生效?为什么?

答:
摩尔定律是Intel公司的缔造者之一Gordon Moore提出的。摩尔定律指出微芯片上集成的晶体管数目以每三年翻两番的规律递增。由于受物理极限的制约(VLSI晶体管本身的线宽大约在$0.05\mu m$量级),因此摩尔定律不能永远生效。

2.4 举3个实例,说明网络技术的应用。

答：
网络技术是通信技术和计算机技术的结合，一个崭新的全球性的 Internet 正在形成，并正以更新的姿态屹立在世界的顶端。网络技术的应用举例如下：
（1）电子商务：任何一个组织机构可利用 Internet 来改变他们与客户、供应商、业务伙伴和内部员工的交流，也可以认为是消费者、销售者和结算部门之间利用 Internet 完成商品采购和支付的过程；
（2）网络教育：学生受教可以不受时间、空间和地域的限制，通过网络伸展到全球的每个角落，建立真正意义上的开放式的虚拟学校，每个学生可以在任意时间、任意地点通过网络自由地学习。不论学生的贫富贵贱都可以“聆听”一流老师的指导，都可以向世界最权威的专家请教，都可以从世界任何角落获取最新的信息和资料；
（3）敏捷制造：由两部分组成：敏捷制造的基础结构和敏捷制造的虚拟企业。前者为形成虚拟企业提供环境和条件，后者对市场不可预期的变化作出迅速响应。当出现某种市场机遇时，由敏捷制造基础结构所形成的虚拟企业通过网上联络若干个具有核心资格的组织者，他们以各自的资金、技术、厂房、设备等优势，通过国家的法律和彼此的合同，组建成一个虚拟企业。该企业不必有集中的办公场地和固定的组织机构，完全通过网络实现产品的技术设计、制造、网上销售和网上服务，充分发挥各自的优势，以最优化的组合、最低的成本获取最大的利润。这种虚拟企业是在敏捷制造基础结构环境下形成的独立的、实体性的、社会性的团体，同时又是一个动态的联盟，他们可以根据市场的变化和要求，解散原来的虚拟企业，而与新的伙伴组成新的虚拟企业。

2.5 举例说明人工智能方面的应用有哪些。

答：
人工智能是专门研究如何使计算机来模拟人的智能的技术，它的应用举例如下：
（1）模式识别是指对某些感兴趣的客体进行定量的或结构的描述，研究一种自动生成技术，由计算机自动地把待识别的模式分配到各自的模式类中。由此技术派生的图像处理技术和图像识别技术已被广泛应用；
（2）文字/语言识别、语言翻译是让计算机来承担文字、语言的翻译工作，如手写体的计算机输入系统已被广泛使用，语音录入计算机的软件也开始在市场上问世；
（3）专家系统是利用计算机构成存储量极大的知识库，把各类专家丰富的知识和经验，以数据形式存储于知识库内，利用专用软件，根据用户输入查询的要求，向用户做出所要求的解答。这种系统早已被广泛应用在医学、工程、军事、法律等领域，尤其是 Internet 的出现，更可以构成远程虚拟医疗、虚拟课堂、虚拟考试等；
（4）机器人也是人工智能领域的重要应用，通常人们让机器人做一些重复性的劳动，特别是在一些不适宜人们工作的劳动场所，机器人的应用显得格外重要。例如海底探测，人在海底的时间是非常有限的，如果让机器人进行海底探测就方便多了。可以让机器人配上摄像机，构成它的眼睛；配上双声道的声音接收器，变成它的耳朵；再配上合适的机械装置，使它可以活动、触摸、承受各种信息并直接送到计算机进行处理，这样它就可以模仿人完成海底探测。

2.6 举例说明哪些计算机的应用需采用多媒体技术。

答：
1)远程教育
2)视频会议
3)IP电话
4)VR/AR/MR
5)虚拟游戏等

2.7 设想一下计算机的未来。

答：
从 1946 年 ENIAC 问世至今，60 年来计算机技术的进步推动了计算机的发展和广泛的应用，使计算机在人类的全部活动领域里占有极为重要的地位。从超级巨型机到心脏起搏器，从电话网络到汽车的汽化器无处不在，无所不及，几乎能填补甚至取代各类信息处理器，成为人类最得力的助手。
未来人类社会几乎所有的知识和信息将全部融入于计算机空间，而任何人在任何地方任何时间都可以通过网络，对所有的知识和信息进行在线获取。计算机空间将会为崭新的信息方式、娱乐方式和教育方式提供基础，并会提供新层次的个人服务和健康保健。超级智能机问世，价格低廉、使用方便、体积更小、外形多变、具有人性化地计算机的研究和应用。光计算机利用光子取代电子进行运算和存储，用不同波长的光代表不同数据，可快速完成复杂计算，DNA（脱氧核糖核酸）生物计算机通过控制 DNA 分子间的生化反应完成运算。同时量子计算机的前景尤为光明，量子这种常人难以理解的特性，使得具有 5000 个量子位的量子计算机能在约 30s 内解决传统硅芯片超级计算机要在 100 亿年才能解决的大数因子分解问题。
未来的每光波长携带几个 GB 的光纤将会很普遍地进入到广大家庭用户中，那时带宽将不再是问题。计算机网络将会更好的为电话、可视电话、电视、网络访问、安全监控、家庭能源管理以及其他各种设备服务。