1.2　课后习题详解

1比较数字计算机和模拟计算机的特点。

答：（1）模拟计算机的特点：数值由连续量来表示，运算过程也是连续的。同时用电压表示数据，采用电压组合和测量值的方式来进行计算，以及盘上连线的控制方式。

（2）数字计算机的特点：采用数字表示数量的大小，按位运算，并且不连续地跳动计算，用数字0和1表示数据，采用数字计数的计算方式，程序控制的控制方式。

（3）与模拟计算机相比，数字计算机的精度高，数据存储量大，逻辑判断能力强。

2数字计算机如何分类？分类的依据是什么？

答：数字计算机可分为专用计算机和通用计算机，分类依据是计算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性。

3数字计算机有哪些主要应用?

答：数字计算机的主要应用有：科学计算、自动控制、测量和测试、信息处理、教育和卫生、家用电器、人工智能。

4冯·诺依曼型计算机的主要设计思想是什么？它包括哪些主要组成部分？

答：冯·诺依曼型计算机的主要设计思想是存储程序并按地址顺序执行，它由运算器、控制器、存储器、适配器及I/O设备组成。

5什么是存储容量？什么是单元地址？什么是数据字？什么是指令字？

答：（1）存储器所有存储单元的总数称为存储器的存储容量。

（2）每个存储单元的编号，称为单元地址。

（3）如果某字代表要处理的数据，称为数据字。

（4）如果某字代表一条指令，称为指令字。

6什么是指令？什么是程序？

答：（1）每一个基本操作称为一条指令。

（2）解决某一问题的一串指令序列，称为程序。

7指令和数据均存放在内存中，计算机如何区分它们是指令还是数据？

答：（1）取指周期中从内存读出的信息流是指令流，它流向控制器；

（2）执行器周期中从内存读出的信息流是数据流，它流向运算器。

8什么是内存？什么是外存？什么是CPU？什么是适配器？简述其功能。

答：（1）内存是指计算机内部的半导体存储器；半导体存储器的存储容量有限，因此计算机中又配备了存储容量更大的磁盘存储器和光盘存储器，称为外存储器，简称外存。内存和外存共同用来保存二进制数据。

（2）把运算器和控制器合在一起称为中央处理器，简称CPU。它用来控制计算机及进行算术逻辑运算。

（3）适配器是指连接主机与外设的一个中间电路，也称作接口，其作用相当于一个转换器，它可以保证外围设备用计算机系统特性所要求的形式发送或接收信息。

9计算机的系统软件包括哪几类？说明它们的用途。

答：系统软件用来简化程序设计，简化使用方法，提高计算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功能及用途。它包括以下四类：

（1）各种服务性程序，如诊断程序、排错程序、练习程序等；

（2）语言程序，如汇编程序、编译程序、解释程序等，用于把源程序翻译或解释成目标程序；

（3）操作系统，用来管理计算机资源（如处理器、内存、外部设备和各种编译、应用程序）和自动调度用户的作业程序，而使多个用户能有效地共用一套计算机系统；

（4）数据库管理系统（DBMS），实现有组织地、动态地存储大量相关数据，方便多用户访问计算机软、硬件资源。

10说明软件发展的演变过程。

答：软件的发展演变主要有以下几个过程：

（1）在早期的计算机中，人们是直接用机器语言即机器指令代码来编写程序的，这种方式编写的程序称为手编程序；

（2）后来，为了编写程序方便和提高机器的使用效率，人们使用一些约定的文字、符号和数字按规定的格式来表示各种不同的指令，然后再用这些特殊符号表示的指令来编写程序，这就是汇编程序；

（3）为了进一步实现程序自动化和便于程序交流，使不熟悉具体计算机的人也能很方便地使用计算机，人们又创造了各种接近于数学语言的算法语言；

（4）随着计算机技术的日益发展，原始的操作方式越来越不适应，特别是用户直接使用大型机器并独占机器，无论是对机器的效率来说还是对方便用户来说都不适宜，于是人们又创造出操作系统；

（5）随着计算机在信息处理、情报检索及各种管理系统中的应用与发展，要求大量处理某些数据，建立和检索大量的表格。这些数据和表格按一定的规律组织起来，使得处理更方便，检索更迅速，用户使用更方便，于是出现了数据库，数据库和数据库管理软件组成了数据库管理系统。

11现代计算机系统如何进行多级划分？这种分级观点对计算机设计会产生什么影响？

答：（1）现代计算机系统可分为五个层次

①第一级是微程序设计级或逻辑电路级，是一个实在的硬件级，由硬件直接执行；

②第二级是一般机器级，称为机器语言级，也是硬件级，它由微程序来解释执行；

③第三级是操作系统级，它由操作系统程序实现；

④第四级是汇编语言级，由汇编程序支持和执行，它给程序人员提供一种符号形式语言，以减少程序编写的复杂性；

⑤第五级是高级语言级，它是面向用户的，为方便用户编写应用程序而设置的。

（2）系统分级对计算机设计产生的影响

①采用这种用一系列的级来组成计算机的概念和技术，对了解计算机如何组成提供了一种好的结构和体制；

②用这种分级的观点来设计计算机，对保证产生一个良好的系统结构也是很有帮助的。

12为什么软件能够转化为硬件，硬件能够转化为软件？实现这种转化的媒介是什么？

答：软件能够转化为硬件，硬件能够转化为软件原因如下：

（1）容量大、价格低、体积小、可改写的只读存储器提供了软件固化的良好物质基础。现在已经可以把许多复杂的、常用的程序制作成固件。就它的功能来说，固件是软件，但从形态来说，固件又是硬件。

（2）目前在一片硅单晶芯片上制作复杂的逻辑电路已经是实际可行的，这又为扩大指令的功能提供了相应的物质基础。因此，本来通过软件手段来实现的某种功能，现在可以通过硬件来直接解释执行。传统的软件部分，今后完全有可能“固化”甚至“硬化”。

（3）任何操作可以由软件来实现，也可以由硬件来实现；任何指令的执行可以由硬件完成，也可以由软件来完成。实现这种转化的媒介是软件与硬件的逻辑等价性。

13CPU的性能指标有哪些？其概念是什么？

答：把运算器和控制器合在一起称为中央处理器，简称CPU。其性能指标主要有以下几个方面：

（1）吞吐量：表示一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量；

（2）响应时间：表示从输入有效到系统产生响应之间的时间间隔，用时间单位来度量；

（3）利用率：在给定的时间间隔内系统被实际使用的时间所占的比率，用百分比表示；

（4）处理机字长：指处理机运算器中一次能够完成二进制数运算的位数，如32位、64位；

（5）总线宽度：一般指CPU中运算器与存储器之间进行互连的内部总线二进制位数；

（6）存储器容量：存储器中所有存储单元的总数目，通常用KB、MB、GB、TB来表示；

（7）存储器带宽：单位时间内从存储器读出的二进制数信息量，一般用字节数/秒表示；

（8）主频、时钟周期：CPU的工作节拍受主时钟控制，主时钟是不断产生固定频率的时钟，主时钟的频率（f）称为CPU的主频，度量单位是MHz（兆赫兹）、GHz（吉赫兹）；

主频的倒数称为CPU时钟周期（T），T＝1/f，度量单位是μs（微秒）、ns（纳秒）；

（9）CPU执行时间：表示CPU执行一般程序所占用的CPU时间，可用下式计算：

CPU执行时间＝CPU时钟周期数×CPU时钟周期

（10）CPI：表示每条指令周期数，即执行一条指令所需的平均时钟周期数，用下式计算：

CPI＝执行某段程序所需的CPU时钟周期数/程序包含的指令条数

（11）MIPS：Million Instructions Per Second的缩写，表示平均每秒执行多少百万条定点指令数，用下式计算：

MIPS＝指令数/（程序执行时间×10⁶）

（12）FLOPS：Floating-point Operations Per Second的缩写，表示每秒执行浮点操作的次数，用来衡量机器浮点操作的性能。用下式计算：

FLOPS＝程序中的浮点操作次数/程序执行时间（s）

14“计算机应用”与“应用计算机”在概念上等价吗？用学科角度和计算机系统的层次结构来说明你的观点。

答：“计算机应用”与“应用计算机”在概念上不等价，原因如下：

（1）计算机应用是一个学科的名词，它包含计算机网络、信息管理、数据库技术、人工智能、计算机辅助设计等多个领域；

（2）应用计算机，从计算机层次结构的角度来看，不同的应用者，应用的方法和目标是不同的，如CPU的设计者是在微程序级应用计算机，目的是为后面的应用者提供功能强大的指令系统；而操作系统的设计者是在汇编语言级应用计算机，目的是扩展硬件功能，为后面的应用者提供良好的操作环境和手段。