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第1章习题答案


习题1 1. 冯·诺依曼型计算机的基本思想是什么? 2. 简述冯·诺依曼型计算机的基本特点。 3. 按照存储程序原理,冯·诺依曼型计算机必须具备哪些功能? 4. 计算机的发展经历了哪几代? 5. 未来计算机的发展趋势是什么? 6. 计算机系统可分为哪几个层次?说明各层次的特点及其相互联系。 7. 分别解释虚拟机器和实际机器的含义。 8. 简述计算机系统结构和计算机组成的含义,以及两者研究内容上的区别。 9. 什么是计算机系统的硬件和软件? 10. 计算机的硬件由哪些部件组成,它们各起什么作用? 11. 什么叫计算机的软件系统?计算机软件按功能的不同可分为哪几类?它们各 起什么作用? 12. 为什么说计算机系统的硬件和软件在逻辑功能上是等效的? 13. 假设在一台40MHz 处理机上运行200000条指令的目标代码,程序主要由四种类 型的指令所组成。 根据程序跟踪实验结果, 已知指令混合比和每类指令的 CPI 值如表1.4 所示。 表1.4 各类指令的指令混合比及每类指令的 CPI 值

(1)试计算用上述跟踪数据在单处理机上执行该程序时的平均 CPI; (2)根据(1)所得到的 CPI,计算相应的 MIPS 速率及程序的执行时间。 14. 某工作站采用时钟频率为15MHz、处理速率为10MIPS 的处理机来执行一个已知 混合程序。假定每次存储器存取为1周期延迟,试问:

(1)此计算机的有效 CPI 是多少? (2)假定将处理机的时钟频率提高到30MHz,但存储器子系统速率不变。这样,每次 存储器存取需要两个时钟周期。如果30%的指令每条只需要一次存储存取,而另外5%的 指令每条需要两次存储存取,还假定已知混合程序的指令数不变,并与原工作站兼容, 试求改进后的处理机性能。 15. 电子计算机按信息的形式及处理方式的不同,可分为哪几类? 16. 电子数字计算机按用途的不同,可分为哪几类? 17. 计算机按规模的不同,可分为哪几类? 18. 计算机按使用方式的不同,可分为哪几类? 19. 计算机按结构的不同,可分为哪几类? 20. 简述计算机的主要应用领域。 参考答案 习题1 1. 冯·诺依曼型计算机的基本思想是存储程序。该思想可以概括如下:计算机要 自动完成解题任务,必须将事先设计好的、用以描述计算机解题过程的程序如同数据一 样采用二进制形式存储在机器中, 计算机在工作时自动高速地从机器中逐条取出指令加 以执行。 2. 冯·诺依曼型计算机的基本特点如下: (1)计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成。 (2)采用存储程序的方式,程序和数据存放在同一存储器中,并且没有对两者加以 区分,指令和数据一样可以送到运算器进行运算,即由指令组成的程序是可以修改的。 (3)指令和数据均以二进制编码表示,采用二进制运算。 (4)指令由操作码和地址码组成,操作码用来表示操作的类型,地址码用来表示操 作数和操作结果的地址。操作数类型由操作码决定,操作数本身不能判定其数据类型。 (5)指令在存储器中按其执行顺序存放,由指令计数器(又称程序计数器)指明要 执行的指令所在的存储单元的地址。一般情况下,每执行完一条指令,指令计数器顺序 递增。 指令的执行顺序可按运算结果或外界条件而改变, 但是解题的步骤仍然是顺序的。 (6)机器以运算器为中心,输入/输出设备与存储器之间的数据传送都通过运算器。

3. 按照存储程序原理,冯·诺依曼型计算机必须具备五大功能: (1)输入输出功能。计算机必须有能力把原始数据和解题步骤输入到机器中,同时 也可以把计算结果和计算过程中的情况输出给使用者。 (2)记忆功能。计算机能够存储记忆原始数据和解题步骤,以及解题过程中产生的 一些中间结果。 (3)计算功能。计算机应能进行一些基本的计算,并能利用这些基本计算组合成使 用者所需的一切计算。 (4)判断功能。计算机在完成一步操作后,应具备能从预先无法确定的几种方案中 选择一种操作方案的能力,以保证解题过程的正确性。 (5)自我控制功能。计算机应能保证程序执行的正确性和各部件之间的协调性。 4. 计算机的发展共经历了五代。 第一代为电子管计算机时代(1946年~1957年) 。 第二代为晶体管计算机时代(1958年~1964年) 。 第三代为集成电路计算机时代(1965年~1971年) 。 第四代为大规模和超大规模集成电路计算机时代(1972年~1990年) 。 第五代为巨大规模集成电路计算机时代(1991年至今) 。 5. 未来的计算机将以巨大规模集成电路为基础,向巨型化、微型化、网络化、智 能化和多媒体化的方向发展。 6. 计算机系统可分为微程序级、传统机器级、操作系统级、汇编语言级、高级语 言级、应用语言级等六个层次。 在微程序级,微指令由硬件直接执行;在传统机器级,用微程序解释机器指令;在 操作系统级,一般用机器语言程序解释作业控制语句等;在汇编语言级,汇编语言程序 经汇编程序翻译成机器语言程序;在高级语言级,高级语言程序经编译程序或解释程序 翻译成汇编语言程序(或是某种中间语言程序,或是机器语言程序) ;在应用语言级, 应用语言程序经应用程序包翻译成高级语言程序。 计算机各层次之间的相互联系表现为,每一级上都能进行程序设计,并且每一级的 语言总是通过低一级的语言翻译(汇编、编译或解释)来实现的。 7. 以软件为主实现的机器,称之为虚拟机器。由硬件和固件实现的机器称为实际 机器。这里的机器是指能存储和执行程序的算法和数据结构的集合体。

8. 计算机系统结构是指由程序设计者所看到的一个计算机系统的属性,即概念性 结构和功能特性。计算机组成又称计算机设计,是指计算机系统结构的逻辑实现。 计算机系统结构研究的主要内容是计算机系统的多级层次结构中各级之间界面的 定义及其上下的功能分配。通常所说的计算机系统结构,主要讨论传统机器级的系统结 构,由机器语言设计者或编译程序设计者所看到的机器物理系统的抽象或定义。它是机 器语言程序设计者或是编译程序生成系统为使其所设计或生成的程序能在机器上正确 运行,所需看到和遵循的计算机属性。计算机组成研究的内容主要包括机器内部的数据 流和控制流的组成以及逻辑设计等。它着眼于机器内各事件的排序方式与控制机构、各 部件的功能以及各部件间的联系。计算机组成的设计是按所希望达到的性能价格比,最 佳、最合理的把各种设备和部件组成计算机,以实现所确定的计算机系统结构。 9. 硬件是指计算机中的电子线路和物理装置。软件是指计算机程序及运用数据处 理系统所必需的手续、规则和文件的总称。 10. 计算机的硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五大部件组 成。 运算器的作用是进行算术运算和逻辑运算。 控制器的作用是产生计算机的全部操作 控制信号,对取指令、分析指令和执行指令的操作过程进行控制。存储器的作用是存储 程序和存储数据。输入设备的作用是将原始数据和处理这些数据的程序送入计算机。输 出设备的作用是将计算结果转化为用户或者设备所能识别或者接收的信息形式。 11. 一台计算机中全部程序的集合,统称为这台计算机的软件系统。 计算机软件按功能的不同可分为系统软件和应用软件两大类。 系统软件又称系统程序, 它是计算机设计者为了充分发挥计算机的效能而向用户提 供的一系列软件。 这些软件主要用于实现计算机系统的管理、 调度、 监视和服务等功能。 应用软件又称应用程序,它是用户利用计算机来解决某些应用问题而编制的各种程序。 这些软件主要用于实现一些具体的应用,如科学计算、数据处理、过程控制、工程设计、 企业管理、情报检索等。 12. 因为同一逻辑功能既可以用软件也可以用硬件或固件实现,从原理上讲,软件 实现的功能完全可以用硬件或固件完成,同样,硬件实现的逻辑功能也可以由软件的模 拟来完成,只是性能、价格以及实现的难易程度不同而已。一般而言,用硬件实现的功 能可以具有较高的执行速度,成本也相对较高,由于硬件不易更改,灵活性也较差。但 是硬件是基础,通常由硬件实现一些最基本的功能,软件则实现一些比较复杂的功能, 作为硬件的扩充。 13. (1)2.24CPI;(2)17.86MIPS;0.0112s

14. (1)1.5CPI;(2)15.8MIPS 15. 电子计算机按信息的形式及处理方式的不同,可分为电子数字计算机、电子模 拟计算机和数字模拟混合计算机。 16. 电子数字计算机按用途的不同,可分为专用计算机和通用计算机。 17. 计算机按规模的不同,可分为嵌入式计算机、微型计算机、工作站、小型计算 机、大型计算机和超级计算机六类。 18. 计算机按使用方式的不同,可分为嵌入式计算机、桌面计算机和服务器。 19. 计算机按结构的不同,可分为冯·诺依曼结构(又称普林斯顿结构)的计算机 和非冯·诺依曼结构(又称哈佛结构)的计算机。 20. 计算机的主要应用领域包括科学计算、数据处理、计算机控制、计算机辅助设 计与制造、人工智能、嵌入式应用、网络应用和多媒体技术等。


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