第1章 計算機系統概論

計算機組成原理(第2版) 唐朔飛編著

第1章計算機系統概論

思考題與習題

1.什麼是計算機系統、計算機硬件和計算機軟件？硬件和軟件哪一個更重要？

答：計算機系統由「硬件」和「軟件」兩大部分組成。所謂「硬件」，是指計算機的實體部分，它由看得見摸得着的各類電子元器件，各種光、電、機設備的實物組成，如主機、外部設備等。所謂「軟件」，它看不見摸不着，由人們事先編制的具備各種特殊功能的程序組成。計算機的軟件一般又能夠分爲兩大類：系統軟件和應用軟件。

2.如何理解計算機系統的層次結構？

答：第1級微程序設計級，第2級機器語言級，第3級操做系統級，第4級彙編語言級，第5級高級語言級。

3.說明高級語言、彙編語言和機器語言的差異及其聯繫。

答：機器自己不能識別高級語言，所以，在進入機器運行前，必須先將高級語言程序翻譯成彙編語言程序（或其餘中間語言程序），而後再將其翻譯成機器語言程序；也能夠講高級語言程序直接翻譯成機器語言程序。

4.如何理解計算機組成和計算機體系結構？

答：計算機組成是依據計算機體系結構肯定而且分配了硬件子系統的概念結構和功能特性的基礎上，設計計算機各部件的具體組成，它們之間的鏈接關係，實現機器指令級的各類功能和特性。從這一點來講，計算機組成是計算機體系結構的邏輯實現。計算機體系結構主要研究硬件和軟件功能的劃分，肯定硬件和軟件界面，即哪些功能應劃分給硬件子系統完成，哪些功能應劃分到軟件子系統中完成。

5.馮•諾依曼計算機的特色是什麼？

l計算機由運算器、存儲器、控制器、輸入設備和輸出設備五大部件組成。

l指令和數據以同等地位存放於存儲器內，並可按地址尋訪。

l指令和數據均用二進制數表示。

l指令由操做碼和地址碼組成，操做碼用來表示操做的性質，地址碼用來表示操做數在存儲器中的位置。

l指令在存儲器內按順序存放。一般，指令是順序執行的，在特定條件下，可根據運算結果或根據設定的條件改變執行順序。

l機器以運算器爲中心，輸入輸出設備與存儲器間的數據傳送經過運算器完成。

6.畫出計算機硬件組成框圖，說明各部件的做用及計算機硬件的主要技術指標。

 

 

 

 

 

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    答：現代計算機可認爲由三大部分組成：CPU、I/O設備及主存儲器。CPU與主存儲器合起來又可稱爲主機、I/O設備又可稱爲外部設備。

7.解釋概念：主機、CPU、主存、存儲單元、存儲元件、存儲基元、存儲元、存儲字、存儲字長、存儲容量、機器字長、指令字長。

    答：主機：CPU與主存儲器合起來稱爲主機。CPU：運算器和控制器合起來稱爲中央處理器。主存：內存是暫時存儲程序以及數據的地方。存儲單元：指針的內容是存儲地址在存儲器中有大量的存儲元，把它們按相同的位劃分爲組，組內全部的存儲元同時進行讀出或寫入操做，這樣的一組存儲元稱爲一個存儲單元。存儲元件：計算機中主存儲器包括存儲體M，各類邏輯部件及控制電路等，存儲體由許多存儲單元組成，每一個存儲單元又包含若干個存儲元件，每一個存儲元件能寄存一位二進制代碼「0」或「1」，存儲元件又稱爲存儲基元、存儲元。存儲字是指存放在一個存儲單元中的二進制代碼組合。存儲字長是一個存儲單元存儲一串二進制代碼，這串二進制代碼的位數稱爲存儲字長，存儲字長能夠是8位、16位、32位等。存儲容量是指存儲器能夠容納的二進制信息量，用存儲器中存儲地址寄存器MAR的編址數與存儲字位數的乘積表示。機器字長是指計算機進行一次整數所能處理的二進制數據的位數。指令字長是指機器指令中二進制代碼的總位數。

8.解釋英文代號：CPU、PC、IR、CU、ALU、ACC、MQ、X、MAR、MDR、I/O、MIPS、CPI、FLOPS。

    答：CPU：略。PC（程序計數器）：程序計數器是用於存放下一條指令所在單元的地址的地方。IR（指令寄存器）：用來暫存指令、數據和位址。CU（控制單元）：控制單元用來解釋存儲器中的指令，併發出各類操做命令來執行指令。ALU（算術邏輯單元）：簡稱算邏部件，用來完成算術邏輯運算。ACC（累加器）：累加器是專門存放算術或邏輯運算的一個操做數和運算結構的寄存器。MQ（乘商寄存器）：乘商寄存器用以暫時保存計算過程當中所獲得的操做數及結果。X（操做數寄存器）：操做數寄存器自己存放於寄存器中，在指令中只是給出了幾個位的代碼來表示它具體存放在哪一個寄存器中。MAR（存儲器電子寄存器）：用來存放從存儲體某單元取出的代碼或者準備往某存儲單元存入的代碼，其位數與存儲字長相等。MDR（存儲器數據寄存器）：用來存放從存儲體某單元取出的代碼或者準備往某存儲單元存入的代碼，其位數與存儲字長相等。I/O（輸入輸出設備）：略。MIPS（單字長定點指令平均執行速度）：每秒處理的百萬級的機器語言指令數。CPI：即執行一條指令所需的時鐘週期（機器主頻的倒數）。FLOPS（每秒浮點運算次數、每秒峯值速度）：它常被用來估算電腦的執行效能，尤爲是在使用到大量浮點運算的科學計算領域中。

9.畫出主機框圖，分別以存數指令「STAM」和加法指令「ADDM」(M均爲主存地址)爲例，在圖中按序標出完成該指令（包括取指階段）的信息流程（如→①）。假設主存容量爲256M*32位，在指令字長、存儲字長、機器字長相等的條件下，指出圖中各寄存器的位數。

答：①存儲指令STA M 取指令 PC→MAR→M→MDR→IR 分析指令 AD（IR）→MAR 執行指令 ACC→MDR→M，WR ②加法指令ADD M 取指令PC→MAR→M→MDR→IR分析指令OP（IR）→CU執行指令 AD（IR）→MAR→M→MDR→X ACC→ALU，同時X→ALU ALU→ACC，ACC→MDR，WR

主存容量是256*32位，得2的28次方=256M。故MAR=28，PC=28，MDR=32；又指令字長=存儲字長=機器字長，則IR=ACC=MQ=X=32。

10.根據迭代公式，設初態y₀=1，要求精度爲ε，試編制求的解題程序（指令系統自定），並結合所編程序簡述計算機的解題過程。

答：計算迭代公式程序清單

指令和數據存於主存單元的地址	指令		註釋
	操做碼	地址碼
0	​	​	取數x至ACC
1	​	​	除yn，得，存於ACC中
2	​	​	加yn，得yn+，存於ACC中
3	​	​	乘，將得(yn+)存於主存單元
4	​	​	打印
5	​	​	停機
6	x		原始數據x
7	yn		原始數據yn
8	​	​	存放結果

11.指令和數據都存於存儲器中，計算機如何區分它們？

    答：計算機區分指令和數據有如下2種方法：①經過不一樣的時間段來區分指令和數據，即在取指令階段（或取指微程序）取出的爲指令，在執行指令階段（或相應微程序）取出的即爲數據。②經過地址來源區分，由PC提供存儲單元地址的取出的是指令，由指令地址碼部分提供存儲單元地址的取出的是操做數。

12.什麼是指令？什麼是程序？

   答：指令由操做碼和操做數構成，分別表示何種操做和存儲地址，例如0011111000000111的意思是，向累加器加7，前8位數字表示向累加器送數，後8位數所送的數是十進制數7。程序是能夠連續執行，並可以完成必定任務的一條條指令的集合。它是人與機器之間進行交流的語言。程序主要是原代碼文件，有了程序纔有軟件，如咱們經常使用的COPY、FORMAT等命令。