coa 第1[1].2.3章课后题答案

第一章思考题与习题
1.1见P3 1.1.1计算机的软硬件的概念
1.2 只要求会画P7图1.6多层次结构的计算机系统。

1.4 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。

由于计算机系统具有多层次结构，因此，站在不同层次上的编程的程序员所看到的计算机属性也是各不相同的。

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。

下面的两个例子要求掌握。

例如，指令系统体现了机器的属性，这是属于计算机结构的问题。

但指令的实现，及如何取指令、分析指令、取操作数、运算、送结果等，这些都属于计算机组成问题。

例如一台是否具备乘法指令的功能，这是一个结构问题，实现乘法指令采用什么方式，则是一个组成问题。

1.5 P8 1.
2.1
1945年，数学家冯·诺依曼（von Neumann）提出了“存储程序”的概念。

以此概念为基础的各类计算机通称为冯·诺依曼计算机，它的特点可归结如下：
1.计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成。

2.指令和数据以同等地位存放于存储器内，并可按地址访问。

3.指令和数据均用二进制数表示。

4.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在存
储器中的位置。

5.指令在存储器内按顺序存放。

6.机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传送通过运算器完成。

1.6 图1.8
注意，现代的计算机已转化为以存储器为核心。

各部件的功能如下：
●运算器用来完成算术运算和逻辑运算，并将运算的中间结果暂存在运算器内。

●存储器用来存放数据和程序。

●控制器用来控制、指挥程序和数据的输入、运行以及处理运算结果。

●输入设备用来将人们熟悉的信息形式转换为机器能识别的信息形式，常见的有键盘、
鼠标等。

●输出设备可将机器运算结果转换为人们熟悉的信息形式，如打印机输出、显示器输
出等。

计算机的五大部件在控制器的统一指挥下，有条不紊地自动工作。

由于运算器和控制器在逻辑关系和电路结构上联系十分紧密，尤其在大规模集成电路制作工艺出现后，这两大部件往往集成在同一芯片上，因此，通常将它们合起来统称为中央处理器。

把输入设备和输出设备简称为I/O设备。

这样，现代计算机可认为由三大部分组成：CPU、I/O设备及主存储器。

CPU与主存储器合起来又可称为主机，I/O设备又可称为外部设备。

1.7主机——是计算机硬件的主体部分，由CPU+MM（主存或内存）组成；
CPU——中央处理器（机），是计算机硬件的核心部件，由运算器+控制器组成；（早期的运、控不在同一芯片上）
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；
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——CPU能同时处理的数据位数；
指令字长——一条指令的二进制代码位数；
1.11运算器与控制器合称CPU。

计算机硬件主要通过指令执行的不同阶段来区分指令和数据，即：取指周期（或取指微程序）取出的即为指令，执行周期（或相应微程序）取出的既为数据。

另外也可通过地址来源区分，从PC指出的存储单元取出的是指令，由指令地址码部分提供操作数地址访问存储器取出即为数据。

第二章
2.1 计算机的更新换代通常以计算机所基于硬件基础所采用的技术为依据，即半导体集成电路技术的发展和更新换代。

2.2
通用计算机：功能齐全，适合于科学计算、数据处理、过程控制等方面应用的电子计算机。

具有较高的运算速度、较大的存储容量、配备较齐全的外部设备及软件。

但与专用计算机相比，其结构复杂、价格昂贵。

专用计算机：专用计算机，专为解决某一特定问题而设计制造的电子计算机。

一般拥有固定的存储程序。

如控制轧钢过程的轧钢控制计算机，计算导弹弹道的专用计算机等。

解决特定问题的速度快、可靠性高，且结构简单、价格便宜。

2.3 Intel公司的缔造者之一提出了“微芯片上集成的晶体管的数目每3年翻两番”的规律，这就是人们常称的Moore摩尔定律。

摩尔定律不会永远生效，这是因为事实上，一味追求微芯片集成度的提高，除了引发功耗、散热问题外，还会出现更多的问题，如线延迟问题，软误码率现象等，可以从系统结构等方面如开发指令级并行性来实现系统性能的提高。

第三章
3.1 什么是总线？总线传输有何特点？（只要求头两个问）
解：总线是多个部件共享的传输介质。

总线传输的特点是：某一时刻只允许有一个部件向总线发送信息，而多个部件可以同时从总线上接收相同的信息。

3.2总线的分类：
按数据传送方式可分为并行传输总线和串行传输总线。

按总线的使用范围划分，又有计算机（包括外设）总线、测控总线、网络通信总线等。

系统总线是指CPU、主存、I/O设备（通过I/O接口）各大部件之间的信息传输线。

按照系统总线传输信息的不同，又可分为三类：数据总线、地址总线和控制总线。

数据总线用来传输各功能部件之间的数据信息，它是双向传输总线，其位数与机器字长、存储字长有关，一般为8位、16位、32位。

数据总线的位数称为数据总线宽度。

地址总线主要用来指出数据总线上的源数据或目的数据在主存单元的地址或I/O设备的地址，由CPU输出，单向传输。

地址线的位数与存储单元的个数有关，如果地址总线的条数是20位，则能够访问的存储单
元的个数就是220=1M，如果地址总线的条数是32位，则能够访问的存储单元的范围（内存空间的大小）就是232=4G。

控制总线是用来发出各种控制信号的传输线。

通常对任一控制线而言，它的传输是单向的，但对于控制总线的总体来说，又可认为是双向的。

3.4为什么要设置总线判优控制？常见的集中式总线控制有几种？各有何特点？哪种方式响应时间最快？哪种方式对电路故障最敏感？
总线判优控制解决多个部件同时申请总线时的使用权分配问题；总线判优控制可分为集中式和分布式两种。

常见的集中式总线控制有三种：
链式查询、计数器查询、独立请求；
特点：
链式查询方式连线简单，易于扩充，对电路故障最敏感；
计数器查询方式优先级设置较灵活，对故障不敏感，连线及控制过程较复杂；
独立请求方式判优速度最快，但硬件器件用量大，连线多，成本较高。

3.5 解释下列概念：总线的主设备（或主模块）、总线的从设备（或从模块）、总线的传输周期和总线的通信控制。

解：
总线的主设备（主模块）——指一次总线传输期间，拥有总线控制权的设备（模块）；
总线的从设备（从模块）——指一次总线传输期间，配合主设备完成传输的设备（模块），它只能被动接受主设备发来的命令；
总线的传输周期——总线完成一次完整而可靠的传输所需时间；
总线的通信控制——主要解决通信双方如何获知传输开始和结束，以及通信双方如何协调如何配合。

通常有四种方式：同步通信、异步通信、半同步通信和分离通信。

3.6 试比较同步通信和异步通信。

同步通信——通信双方由统一时标控制的通信，控制方式简单，灵活性差，当系统中各部件工作速度差异较大时，总线工作效率明显下降。

适合于总线长度较短、各部件存取时间比较一致的场合；
异步通信——没有公共的时钟标准，不由统一时钟控制的通信，部件间采用应答方式进行联系，控制方式较同步复杂，灵活性高，当系统中各部件工作速度差异较大时，有利于提高总线工作效率。

3.10 为什么要设置总线标准？你知道目前流行的总线标准有哪些？什么叫plug and play？哪些总线有这一特点？
所谓总线标准，可视为系统与各模块、模块与模块之间的一个互连的标准界面。

采用总线标准可以为计算机接口的软硬件设计提供方便。

对硬件设计而言，使各个模块的接口芯片设计相对独立；对软件设计而言，更有利于接口软件的模块化设计。

总线标准的设置主要解决不同厂家各类模块化产品的兼容问题；
目前流行的总线标准有：PCI、PCI—Express等；
plug and play——即插即用，EISA、PCI等具有此功能。

3.13 什么是总线的数据传输率，它与哪些因素有关？
总线的数据传输率又可称为总线带宽：单位时间内总线上传输数据的位数，通常用每秒传输信息的字节数来衡量，单位可用MBps（兆字节每秒）。

它与总线的时钟频率、总线宽度等因素有关。

计算要求会：
3.15 在一个32位的总线系统中，总线的时钟频率为66MHz，总线最短传输周期为4个时钟周期，试计算总线的最大数据传输率。

若想提高数据传输率，可采取什么措施？
计算可参考书上，P61 例3.1
1个时钟周期为1/66MHz
总线最短传输周期为1/66MHz×4
总线宽度为32位=32/8=4B(字节)
则总线的最大数据传输率=4B/(1/66MHz×4)=66MBps
若想提高数据传输率，可以加宽总线的数据宽度或者提高总线的时钟频率。