第1章计算机系统概论参考答案.pdf

第 1 章 计算机系统概论参考答案 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 计算机系统是能按照人的要求接受和存储信息 自动进行数据处理和计算 并输出结果信息的 机器系统 计算机系统由两大部分组成 硬件 子 系统和软件 子 系统 其中硬件子系统是系统 赖以工作的实体 它是有关的各种物理部件的有机的结合 软件子系统由各种程序以及程序所处理的 数据组成 这些程序的主要作用是协调各个硬件部件 使整个计算机系统能够按照指定的要求进行工 作 硬件子系统包括中央处理器 主存存储器 输人输出控制系统和各种外围设备 软件子系统包括 系统软件 支援软件 应用软件 三个部分 都很重要 硬件是基础 软件是灵魂 2 如何理解计算机系统的层次结构 答 计算机系统存在着层次结构 从功能上看 现代计算机系统可分为五个层次级别 每一层都能 进行程序设计 如图所示 1 微程序设计级 这一级是由硬件直接实现的 是计算机系统最底层的硬件系统 由机器硬件直接执行微指令 只有采用微程序设计的计算机系统 才有这一级 如果某一个应用程序直接用微指令来编写 那么可 在这一级上运行应用程序 2 一般机器级 也称为机器语言级 它由微程序解释机器指令系统 这一级也是硬件级 是软件系统和硬件系 统之间的纽带 硬件系统的操作由此级控制 软件系统的各种程序 必须转换成此级的形式才能执行 3 操作系统级 由操作系统程序实现 这些操作系统由机器指令和广义指令组成 广义指令是操作系统定义和解 释的软件指令 所以这一级也称为混合级 计算机系统中硬件和软件资源由此级管理和统一调度 它 支撑着其它系统软件和应用软件 使计算机能够自动运行 发挥高效率的特性 4 汇编语言级 给程序人员提供一种符号形式语言 以减少程序编写的复杂性 这一级由汇编程序支持和执行 1 如果应用程序采用汇编语言编写 则机器必须要有这一级的功能 如果应用程序不采用汇编语言编写 则这一级可以不要 5 高级语言级 面向用户 为方便用户编写应用程序而设置的 这一级由各种高级语言编译程序支持和执行 计算机系统各层次之间的关系十分紧密 上层是下层的扩展 下层是上层的基础 除第一级外 其它各级都得到它下面级的支持 同时也受到运行在下面各级上的程序的支持 第一级到第三级编写 程序采用的语言 基本是二进制数字化语言 机器执行和解释容易 第四 五两级编写程序所采用的 语言是符号语言 用英文字母和符号来表示程序 因而便于大多数不了解硬件的人们使用计算机 3 说明高级语言 汇编语言和机器语言的差别和联系 答 同上 4 计算机的层次结构如何划分 计算机组织与结构有什么不同含义 答 计算机的层次结构如何划分同 2 题 计算机体系结构 程序设计者所看到的计算机系统的属性 是计算机的外特性 概念性结构和 功能特性 研究计算机系统的硬 软件的功能划分和接口关系 计算机组成 计算机各功能部件的内部构造和相互之间的联系 部件配置 相互连接和作用 强调各功能部件的性能参数相匹配 实现机器指令级的各种功能和特性 是计算机系统结构的逻辑 实现 5 冯 诺依曼计算机的主要特点是什么 计算机有哪几部分组成 答 约翰 冯 诺依曼 John Von Nouma 1903 1957 美藉匈牙利人 1903 年 12 月 28 日生于匈 牙利的布达佩斯 冯 诺依曼对人类的最大贡献是对计算机科学 计算机技术和数值分析的开拓性工 作 现在一般认为 ENIAC 机是世界第一台电子计算机 它是由美国科学家研制的 于 1946 年 2 月 14 日在费城开始运行 其实由汤米 费劳尔斯等英国科学家研制的 科洛萨斯 计算机比 ENIAC 机问 世早两年多 于 1944 年 1 月 10 日在布莱奇利园区开始运行 ENIAC 机证明电子真空技术可以大大 地提高计算技术 不过 ENIAC 机本身存在两大缺点 1 没有存储器 2 它用布线接板进行控 制 甚至要搭接见天 计算速度也就被这一工作抵消了 ENIAC 机研制组的莫克利和埃克特显然是 感到了这一点 他们也想尽快着手研制另一台计算机 以便改进 冯 诺依曼由 ENIAC 机研制组的戈尔德斯廷中尉介绍参加 ENIAC 机研制小组后 便带领这批富 有创新精神的年轻科技人员 向着更高的目标进军 1945 年 他们在共同讨论的基础上 发表了一 个全新的 存储程序通用电子计算机方案 EDVAC Electronic Discrete Variable AutomaticCompUter 的缩写 在这过程中 冯 诺依曼显示出他雄厚的数理基础知识 充分发挥了他的顾问作用及探索 问题和综合分析的能力 EDVAC 方案明确奠定了新机器由五个部分组成 包括 运算器 逻辑控制装置 存储器 输入 和输出设备 并描述了这五部分的职能和相互关系 EDVAC 机还有两个非常重大的改进 即 1 采用了二进制 不但数据采用二进制 指令也采用二进制 2 建立了存储程序 指令和数据便可一起放在存储器里 并作同样处理 简化了计算机的结构 大大提高了计算机的速度 1946 年 7 8 月间 冯 诺依曼和戈尔德斯廷 勃克斯在 EDVAC 方案的基础上 为普林斯顿大 学高级研究所研制 IAS 计算机时 又提出了一个更加完善的设计报告 电子计算机逻辑设计初探 以 上两份既有理论又有具体设计的文件 首次在全世界掀起了一股 计算机热 它们的综合设计思想 2 便是著名的 冯 诺依曼机 其中心就是有存储程序原则 指令和数据一起存储 这个概念被誉为 计 算机发展史上的一个里程碑 它标志着电子计算机时代的真正开始 指导着以后的计算机设计 自 然一切事物总是在发展着的 随着科学技术的进步 今天人们又认识到 冯 诺依曼机 的不足 它妨 碍着计算机速度的进一步提高 而提出了 非冯 诺依曼机 的设想 冯 诺依曼还积极参与了推广应用计算机的工作 对如何编制程序及搞数值计算都作出了杰出的 贡献 冯 诺依曼于 1937 年获美国数学会的波策奖 1947 年获美国总统的功勋奖章 美国海军优秀 公民服务奖 1956 年获美国总统的自由奖章和爱因斯坦纪念奖以及费米奖 冯 诺依曼逝世后 未 完成的手稿于 1958 年以 计算机与人脑 为名出版 他的主要著作收集在六卷 冯 诺依曼全集 中 1961 年出版 计算机必须具备五大基本组成部件 包括 输人数据和程序的输入设备记忆程序和数据的存储器完成数据加工处理的运算器控制程序执行的控 制器输出处理结果的输出设备 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 略 7 解释下列概念 主机 CPU 主存 存储单元 存储元件 存储字 存储字长 存储容量 机器字长 指令字长 答 略 8 解释下列英文代号 CPU PC IR CU ALU ACC MQ X MAR MDR I O MIPS CPI FLOPS 1 CPU Central Processing Unit 中央处理器 2 PC Program Counter 程序计数器 3 IR Instruction Register 指令寄存器 4 CU Control Unit 控制单元 5 ALU Arithmetic Logic Unit 算术逻辑运算单元 简称算逻部件 6 ACC Accumulator 累加器 7 MQ Multiplier Quotient Register 乘商寄存器 8 X 操作数寄存器 辅助寄存器 9 MAR Memory Adress Register 存储器地址寄存器 10 MDR Memory Data Register 存储器数据寄存器 11 I O Input Output equipment 输入 输出设备 12 MIPS Million Instruction Per Second 单位时间内执行指令的平均条数 13 CPI Cycle Per Instruction 执行一条指令所需的时钟周期 主频的倒数 数 14 FLOPS Floating Piont Operation Per Second 每秒浮点运算次数来衡量运算速度 9 简述计算机的解题过程 答 略 10 电子计算机从诞生到现在已有几代 其分代的主要标志是什么 答 共分为四代 第一代电子管计算机 1945 1956 在第二次世界大战中 美国政府寻求计算机以开发潜在的战略价值 这促进了计算机的研究与 发展 1944 年霍华德 艾肯 1900 1973 研制出全电子计算器 为美国海军绘制弹道图 这台简称 Mark I 的机器有半个足球场大 内含 500 英里的电线 使用电磁信号来移动机械部件 速度很慢 3 5 秒 3 一次计算 并且适应性很差只用于专门领域 但是 它既可以执行基本算术运算也可以运算复杂的等 式 1946 年 2 月 14 日 标志现代计算机诞生的 ENIAC The Electronic Numerical Integrator And Computer 在费城公诸于世 ENIAC 代表了计算机发展史上的里程碑 它通过不同部分之间的重新接 线编程 还拥有并行计算能力 ENIAC 由美国政府和宾夕法尼亚大学合作开发 使用了 18 000 个 电子管 70 000 个电阻器 有 5 百万个焊接点 耗电 160 千瓦 其运算速度比 Mark I 快 1000 倍 ENIAC 是第一台普通用途计算机 第二代晶体管计算机 1956 1963 1948 年 晶体管的发明大大促进了计算机的发展 晶体管代替了体积庞大电子管 电子设备的 体积不断减小 1956 年 晶体管在计算机中使用 晶体管和磁芯存储器导致了第二代计算机的产生 第二代计算机体积小 速度快 功耗低 性能更稳定 首先使用晶体管技术的是早期的超级计算机 主要用于原子科学的大量数据处理 这些机器价格昂贵 生产数量极少 1960 年 出现了一些成功地用在商业领域 大学和政府部门的第二代计算机 第二代计算机用晶体 管代替电子管 还有现代计算机的一些部件 打印机 磁带 磁盘 内存 操作系统等 计算机中存 储的程序使得计算机有很好的适应性 可以更有效地用于商业用途 在这一时期出现了更高级的 COBOL Common Business Oriented Language 和 FORTRAN Formula Translator 等语言 以单词 语 句和数学公式代替了二进制机器码 使计算机编程更容易 新的职业 如程序员 分析员和计算机 系统专家 与整个软件产业由此诞生 第三代集成电路计算机 1964 1971 虽然晶体管比起电子管是一个明显的进步 但晶体管还是产生大量的热量 这会损害计算机内 部的敏感部分 1958 年发明了集成电路 IC 将三种电子元件结合到一片小小的硅片上 科学家使 更多的元件集成到单一的半导体芯片上 于是 计算机变得更小 功耗更低 速度更快 这一时期 的发展还包括使用了操作系统 使得计算机在中心程序的控制协调下可以同时运行许多不同的程序 第四代大规模集成电路计算机 1971 现在 出现集成电路后 唯一的发展方向是扩大规模 大规模集成电路 LSI 可以在一个芯片上容纳几 百个元件 到了 80 年代 超大规模集成电路 VLSI 在芯片上容纳了几十万个元件 后来的 ULSI 将 数字扩充到百万级 可以在硬币大小的芯片上容纳如此数量的元件使得计算机的体积和价格不断下 降 而功能和可靠性不断增强 基于 半导体 的发展 到了一九七二年 第一部真正的个人计算机 诞生了 所使用的微处理器内包含了 2 300 个 晶体管 可以一秒内执行 60 000 个指令 体积也 缩小很多 而世界各国也随着 半导体 及 晶体管 的发展去开拓计算机史上新的一页 11 摩尔定律的主要含义以及它们现实定义是什么 答 摩尔定律是根据英特尔英特尔创始人之一的戈登 摩尔 Gordon Moore 的名字命名的 摩尔定律是在 1965 年提出来的 当时计算机行业还很年轻 几乎没有人能够预测到计算机和IT行业整体上将以革 命性的方式发展 摩尔定律著名的一句话解释了电子行业发展的核心并且在 40 多年里一直是正确 的 摩尔定律的这句话是 芯片中的晶体管数量每年将增加一倍 这句话本身是在 1