计算机体系结构课后习题

1.5 课后习题

1.1 概述电子计算机的发展经过了哪几代？各代的基本特征是什么？

1.2 计算机软件包括哪几类？各部件的作用是什么？

1.3 简述冯·诺依曼计算机的特点。

1.4 计算机硬件有哪些部件，各部件的作用是什么？

1.5 计算机系统从功能上可划分为哪些层次？各层次在计算机系统中起什么作用?

1.6 简述存储程序计算机在体系结构上的主要特点并对其特点进行简要的分析。

1.7 解释下列英文缩写的含义：

CPU、M.M、PC、CU、ALU、ACC、MQ、MAR、MDR、I/O、ISA、MIPS、

CPI、FLOPS

1.8 什么是CPU？什么是存储容量？什么是机器字长？

1.9 指令和数据均存放内存中，CPU如何从时间和空间区分它们是指令还是数据？

课后习题答案

1.1 （1）第一代电子管计算机采用十进制运算，电路结构十分复杂，体积庞大，占了相当大的空间，耗电量也很大。而且需用手工搬动开关和拔、插电缆来编制程序，使用极不方便。

（2）第二代晶体管计算机具有体积小、低耗电以及载流子高速运行的特点，使真空管望尘莫及。

（3）第三代集成电路计算机利用光刻技术把晶体管、电阻、电容等构成的单个电路制作在一块极小的硅片上。进一步发展，实现了将成百上千这样的门电路全部制作在一块极小(如几个平方毫米)的硅片上，并引出与外部连接的引线，这样，一次便能制作成成百上千相同的门电路，又一次大大地缩小了计算机的体积，大幅度下降了耗电量，极大地提高了机器的可靠性。

1.2 计算机的软件通常又可以分为两大类：系统软件和应用软件。系统软件又称为系统程序，主要用来管理整个计算机系统，监视服务，使系统资源得到合理调度，确保高效运行。应用软件又称为应用程序，它是用户根据任务需要所编制的各种程序。

1.3 冯·诺依曼计算机的特点是：

·计算机由运算器、存储器、控制器和输入设备、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，并可按地址寻访。

·指令和数据均用二进制码表示。

·指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数所在存储器中的位置。

·指令在存储器内按顺序存放。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设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。

1.4 ALU (Arithmetic Logic Unit)叫做算术逻辑运算单元(简称算术逻辑部件)，用来完成算术逻辑运算。CU (Control Unit)叫做控制单元，用来解释存储器中的指令，并发出各种操作命令来执行指令。ALU和CU是CPU的核心部件。I/O设备也受CU控制，用来完成相应的输入、输出操作。

1.5 第1级是微程序机器级，其机器语言是微指令集，工作于该级的程序员实际上是计算机系统的设计人员，他们使用微程序解释机器指令系统、实际上是实现计算机指令集中每一条指令的功能。第2级是传统机器级。它所提供的是那些计算机硬件可以读懂并可直接操纵计算机硬件工作的二进制信息。第3级是操作系统虚拟机。从操作系统的基本功能来看，一方面它要直接管理传统机器中的软、硬件资源，另一方面它又是传统机器的引申。第4级是汇编语言虚拟机。这一级的机器语言是汇编语言，用汇编语言编写的程序，首先要翻译成第3级和第2级语言，然后再由相应的机器执行。第5级是高级语言虚拟机。这一级的机器语言就是各种高级语言。第6级是应用语言虚拟机。这一级是为使计算机满足某种特殊用途而专门设计的，因此这一级语言就是各种面向问题的应用语言。

1.6 存储程序计算机在体系结构上的主要特点是：

①机器以运算器为中心。

②采用存储程序原理。

③存储器是按地址访问的、线性编址的空间。

④控制流由指令流产生。

⑤指令由操作码和地址码组成。

⑥数据以二进制编码表示，采用二进制方式运算。

对其特点的分析：

（1）分布的输入输出处理能力

存储程序计算机以运算器为中心，所有部件的操作都由控制器集中控制，这一特点带来了慢速输入/出操作占用快速运算器的矛盾。

（2）保护的存储器空间

虽然传统存储程序计算机的存储程序原理现在仍为大多数计算机所采用，但对于是否把指令和数据放在同一存储器中这一点，不同的计算机却有不同的考虑。

（3）存储器组织结构的发展

按地址访问的存储器具有结构简单、价格便宜、存取速度快等优点。但是在数据处理时，往往要求查找在内容上具有某种特点的信息。

（4）并行处理技术

传统的存储程序计算机解题算法是顺序型的，即使问题本身可以并行处理，由于程序的执行受程序计数器控制，故只能是串行、顺序地执行。

（5）指令集的发展

指令集是传统机器程序员所看到机器的主要属性。指令仍由操作码和地址码两部分组成，它会在两个方面对计算机体系结构设计产生重大影响，一是指令集的功能，二是指令的地址空间和寻址方式。

1.7解：全面的回答应分英文全称、中文名、中文解释三部分。

CPU——Central Processing Unit，中央处理机（器）。

M.M—— Main Memory ，主存储器。

PC——Program Counter，程序计数器，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的计数器。

CU——Control Unit，控制单元（部件），控制器中产生微操作命令序列的部件，为控制器的核心部件。

ALU——Arithmetic Logic Unit，算术逻辑运算单元，运算器中完成算术逻辑运算的逻辑部。

ACC——Accumulator，累加器，运算器中运算前存放操作数、运算后存放运算结果的寄存器。