1.2　課后習題詳解

1比較數字計算機和模擬計算機的特點。

答：（1）模擬計算機的特點：數值由連續量來表示，運算過程也是連續的。同時用電壓表示數據，采用電壓組合和測量值的方式來進行計算，以及盤上連線的控制方式。

（2）數字計算機的特點：采用數字表示數量的大小，按位運算，并且不連續地跳動計算，用數字0和1表示數據，采用數字計數的計算方式，程序控制的控制方式。

（3）與模擬計算機相比，數字計算機的精度高，數據存儲量大，邏輯判斷能力強。

2數字計算機如何分類？分類的依據是什么？

答：數字計算機可分為專用計算機和通用計算機，分類依據是計算機的效率、速度、價格、運行的經濟性和適應性。

3數字計算機有哪些主要應用?

答：數字計算機的主要應用有：科學計算、自動控制、測量和測試、信息處理、教育和衛生、家用電器、人工智能。

4馮·諾依曼型計算機的主要設計思想是什么？它包括哪些主要組成部分？

答：馮·諾依曼型計算機的主要設計思想是存儲程序并按地址順序執行，它由運算器、控制器、存儲器、適配器及I/O設備組成。

5什么是存儲容量？什么是單元地址？什么是數據字？什么是指令字？

答：（1）存儲器所有存儲單元的總數稱為存儲器的存儲容量。

（2）每個存儲單元的編號，稱為單元地址。

（3）如果某字代表要處理的數據，稱為數據字。

（4）如果某字代表一條指令，稱為指令字。

6什么是指令？什么是程序？

答：（1）每一個基本操作稱為一條指令。

（2）解決某一問題的一串指令序列，稱為程序。

7指令和數據均存放在內存中，計算機如何區分它們是指令還是數據？

答：（1）取指周期中從內存讀出的信息流是指令流，它流向控制器；

（2）執行器周期中從內存讀出的信息流是數據流，它流向運算器。

8什么是內存？什么是外存？什么是CPU？什么是適配器？簡述其功能。

答：（1）內存是指計算機內部的半導體存儲器；半導體存儲器的存儲容量有限，因此計算機中又配備了存儲容量更大的磁盤存儲器和光盤存儲器，稱為外存儲器，簡稱外存。內存和外存共同用來保存二進制數據。

（2）把運算器和控制器合在一起稱為中央處理器，簡稱CPU。它用來控制計算機及進行算術邏輯運算。

（3）適配器是指連接主機與外設的一個中間電路，也稱作接口，其作用相當于一個轉換器，它可以保證外圍設備用計算機系統特性所要求的形式發送或接收信息。

9計算機的系統軟件包括哪幾類？說明它們的用途。

答：系統軟件用來簡化程序設計，簡化使用方法，提高計算機的使用效率，發揮和擴大計算機的功能及用途。它包括以下四類：

（1）各種服務性程序，如診斷程序、排錯程序、練習程序等；

（2）語言程序，如匯編程序、編譯程序、解釋程序等，用于把源程序翻譯或解釋成目標程序；

（3）操作系統，用來管理計算機資源（如處理器、內存、外部設備和各種編譯、應用程序）和自動調度用戶的作業程序，而使多個用戶能有效地共用一套計算機系統；

（4）數據庫管理系統（DBMS），實現有組織地、動態地存儲大量相關數據，方便多用戶訪問計算機軟、硬件資源。

10說明軟件發展的演變過程。

答：軟件的發展演變主要有以下幾個過程：

（1）在早期的計算機中，人們是直接用機器語言即機器指令代碼來編寫程序的，這種方式編寫的程序稱為手編程序；

（2）后來，為了編寫程序方便和提高機器的使用效率，人們使用一些約定的文字、符號和數字按規定的格式來表示各種不同的指令，然后再用這些特殊符號表示的指令來編寫程序，這就是匯編程序；

（3）為了進一步實現程序自動化和便于程序交流，使不熟悉具體計算機的人也能很方便地使用計算機，人們又創造了各種接近于數學語言的算法語言；

（4）隨著計算機技術的日益發展，原始的操作方式越來越不適應，特別是用戶直接使用大型機器并獨占機器，無論是對機器的效率來說還是對方便用戶來說都不適宜，于是人們又創造出操作系統；

（5）隨著計算機在信息處理、情報檢索及各種管理系統中的應用與發展，要求大量處理某些數據，建立和檢索大量的表格。這些數據和表格按一定的規律組織起來，使得處理更方便，檢索更迅速，用戶使用更方便，于是出現了數據庫，數據庫和數據庫管理軟件組成了數據庫管理系統。

11現代計算機系統如何進行多級劃分？這種分級觀點對計算機設計會產生什么影響？

答：（1）現代計算機系統可分為五個層次

①第一級是微程序設計級或邏輯電路級，是一個實在的硬件級，由硬件直接執行；

②第二級是一般機器級，稱為機器語言級，也是硬件級，它由微程序來解釋執行；

③第三級是操作系統級，它由操作系統程序實現；

④第四級是匯編語言級，由匯編程序支持和執行，它給程序人員提供一種符號形式語言，以減少程序編寫的復雜性；

⑤第五級是高級語言級，它是面向用戶的，為方便用戶編寫應用程序而設置的。

（2）系統分級對計算機設計產生的影響

①采用這種用一系列的級來組成計算機的概念和技術，對了解計算機如何組成提供了一種好的結構和體制；

②用這種分級的觀點來設計計算機，對保證產生一個良好的系統結構也是很有幫助的。

12為什么軟件能夠轉化為硬件，硬件能夠轉化為軟件？實現這種轉化的媒介是什么？

答：軟件能夠轉化為硬件，硬件能夠轉化為軟件原因如下：

（1）容量大、價格低、體積小、可改寫的只讀存儲器提供了軟件固化的良好物質基礎。現在已經可以把許多復雜的、常用的程序制作成固件。就它的功能來說，固件是軟件，但從形態來說，固件又是硬件。

（2）目前在一片硅單晶芯片上制作復雜的邏輯電路已經是實際可行的，這又為擴大指令的功能提供了相應的物質基礎。因此，本來通過軟件手段來實現的某種功能，現在可以通過硬件來直接解釋執行。傳統的軟件部分，今后完全有可能“固化”甚至“硬化”。

（3）任何操作可以由軟件來實現，也可以由硬件來實現；任何指令的執行可以由硬件完成，也可以由軟件來完成。實現這種轉化的媒介是軟件與硬件的邏輯等價性。

13CPU的性能指標有哪些？其概念是什么？

答：把運算器和控制器合在一起稱為中央處理器，簡稱CPU。其性能指標主要有以下幾個方面：

（1）吞吐量：表示一臺計算機在某一時間間隔內能夠處理的信息量；

（2）響應時間：表示從輸入有效到系統產生響應之間的時間間隔，用時間單位來度量；

（3）利用率：在給定的時間間隔內系統被實際使用的時間所占的比率，用百分比表示；

（4）處理機字長：指處理機運算器中一次能夠完成二進制數運算的位數，如32位、64位；

（5）總線寬度：一般指CPU中運算器與存儲器之間進行互連的內部總線二進制位數；

（6）存儲器容量：存儲器中所有存儲單元的總數目，通常用KB、MB、GB、TB來表示；

（7）存儲器帶寬：單位時間內從存儲器讀出的二進制數信息量，一般用字節數/秒表示；

（8）主頻、時鐘周期：CPU的工作節拍受主時鐘控制，主時鐘是不斷產生固定頻率的時鐘，主時鐘的頻率（f）稱為CPU的主頻，度量單位是MHz（兆赫茲）、GHz（吉赫茲）；

主頻的倒數稱為CPU時鐘周期（T），T＝1/f，度量單位是μs（微秒）、ns（納秒）；

（9）CPU執行時間：表示CPU執行一般程序所占用的CPU時間，可用下式計算：

CPU執行時間＝CPU時鐘周期數×CPU時鐘周期

（10）CPI：表示每條指令周期數，即執行一條指令所需的平均時鐘周期數，用下式計算：

CPI＝執行某段程序所需的CPU時鐘周期數/程序包含的指令條數

（11）MIPS：Million Instructions Per Second的縮寫，表示平均每秒執行多少百萬條定點指令數，用下式計算：

MIPS＝指令數/（程序執行時間×10⁶）

（12）FLOPS：Floating-point Operations Per Second的縮寫，表示每秒執行浮點操作的次數，用來衡量機器浮點操作的性能。用下式計算：

FLOPS＝程序中的浮點操作次數/程序執行時間（s）

14“計算機應用”與“應用計算機”在概念上等價嗎？用學科角度和計算機系統的層次結構來說明你的觀點。

答：“計算機應用”與“應用計算機”在概念上不等價，原因如下：

（1）計算機應用是一個學科的名詞，它包含計算機網絡、信息管理、數據庫技術、人工智能、計算機輔助設計等多個領域；

（2）應用計算機，從計算機層次結構的角度來看，不同的應用者，應用的方法和目標是不同的，如CPU的設計者是在微程序級應用計算機，目的是為后面的應用者提供功能強大的指令系統；而操作系統的設計者是在匯編語言級應用計算機，目的是擴展硬件功能，為后面的應用者提供良好的操作環境和手段。