[计算机组成原理(谭志虎微课版)]第一章计算机系统概述（课后习题[习题1]+答案解析）

1.1 解释下列名词。

摩尔定律：
- 当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数量大约18-24个月翻一番，性能也将提升一倍。
汇编器：
- 负责将汇编语言翻译成机器语言目标程序的汇编程序
编译器：
- 负责将高级语言翻译成汇编代码或其他中间语言程序，或可以将高级语言程序直接翻译为机器语言程序的编译程序
解释器
- 用于将源程序中的语句按执行顺序逐条翻译成机器指令并执行且不生成目标程序的解释程序
链接器
- 将各种代码和数据片段收集并组合为一个单一文件的程序，所得到的文件可以被加载(复制)到内存并执行。
时钟周期：
- 时钟周期是计算机中最基本的、最小的时间单位，在一个时钟周期内，CPU仅完成一个最基本的动作。时钟周期是时钟频率的倒数，也称为节拍周期或T周期。
机器字长：
- 机器字长一般是指CPU一次能处理的数据位数，用二进制数的长度来衡量
主存容量：
- 主存容量是指主存能存储的最大信息量，一般使用M×N表示
CPI：
- CPI是执行每条指令所需要的平均时钟周期数
IPC：
- IPC是指每个时钟周期CPU能执行的指令条数，是CPI的倒数。
MIPS：
- 每秒能够执行的指令条数，以百万为单位
MFLOPS
- MFLOPS是指计算机每秒执行浮点运算的次数，以百万为单位
CPU时间
- CPU执行时间也称为CPU时间，是CPU真正花费在程序上的时间。CPU执行时间包括执行用户程序本身所花费的CPU时间（用户CPU时间）和为执行程序而花费在操作系统上的时间（系统CPU时间）

1.2 选择题（考研真题）。

( 1 )[2018]冯·诺依曼结构计算机中数据采用二进制编码表示，其主要原因是
- Ⅰ.二进制运算规则简单
- Ⅱ.制造两个稳态的物理器件较为容易
- Ⅲ.便于逻辑门电路实现算术运算
- A.仅Ⅰ、Ⅱ
- B.仅Ⅰ、Ⅲ
- C.仅Ⅱ、Ⅲ
- D.Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ
- 答案：D
- 解析：
  - 1.二进制只有0 1两个状态，算术和逻辑运算的规则很简单
  - 2.二进制的两个状态可以使用高电平和低电平进行表示，物理器件制造容易
  - 3.利用逻辑门电路容易实现算术运算
( 2 )[2019]下列关于冯·诺依曼结构计算机基本思想的叙述中，错误的是
- A.程序的功能都通过中央处理器执行指令实现
- B.指令和数据都用二进制表示，形式上无差别
- C.指令按地址访问，数据都在指令中直接给出
- D.程序执行前，指令和数据需预先存放在存储器中
- 答案：C
- 解析：
  - 程序存储在冯·诺依曼结构计算机中最终是若干条二进制形式的机器代码指令，每条机器代码指令的执行需要通过中央处理器对指令进行分析，然后发出相应的控制信号，控制相应的部件完成对应的功能
  - 在冯·诺依曼结构计算机中程序和运行程序所需的数据以二进制的形式存放到存储器中，即指令和数据都是一串0 1组成的数字串
  - 在指令中给出的是数据在存储器中存放的地址，指令执行所需的数据存放在存储器中，需要通过指令中数据的地址按地址访问存储器取出对应的数据
  - 冯·诺依曼结构计算机的主要工作原理为存储程序和程序控制，在程序执行前，指令和数据需预先存放在存储器中
( 3 )[2016]高级语言源程序转换为机器级目标代码文件的程序称为
- A.汇编程序
- B.链接程序
- C.编译程序
- D.解释程序
- 答案：C
- 解析：
  - 汇编程序：负责将汇编语言翻译成机器语言目标程序
  - 链接程序：将各种代码和数据片段收集并组合为一个单一文件的程序
  - 编译程序：负责将高级语言翻译成汇编代码或其他中间语言程序，或可以将高级语言程序直接翻译为机器语言程序
  - 解释程序：用于将源程序中的语句按执行顺序逐条翻译成机器指令并执行且不生成目标程序
( 4 )[2015]计算机硬件能够直接执行的是
- Ⅰ．机器语言程序
- Ⅱ．汇编语言程序
- Ⅲ．硬件描述语言程序
- A.仅Ⅰ
- B.仅I、Ⅱ
- C.仅Ⅰ、Ⅲ
- D.Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ
- 答案：A
- 解析：
  - 由0 1组成的机器语言程序在计算机硬件中能够直接执行；
  - 汇编语言程序需要通过汇编程序翻译成机器语言程序才可以在计算机硬件中直接执行；
  - 硬件描述语言程序是用于描述硬件电路的代码，不是可运行的程序
( 5 )[2011]下列选项中，描述浮点数操作速度指标的是
- A.MIPS
- B.CPI
- C.IPC
- D. MFLOPS
- 答案：D
- 解析：
  - MIPS：每秒能够执行的指令条数，以百万为单位
  - CPI：执行每条指令所需要的平均时钟周期数
  - IPC：每个时钟周期CPU能执行的指令条数，是CPI的倒数
  - MFLOPS：计算机每秒执行浮点运算的次数，以百万为单位
( 6 ）[2010]下列选项中，能缩短程序执行时间的措施是
- Ⅰ.提高CPU时钟频率
- Ⅱ.优化数据通路结构
- Ⅲ.对程序进行编译优化
- A.仅Ⅰ和Ⅱ
- B.仅Ⅰ和Ⅲ
- C.仅Ⅱ和Ⅲ
- D.Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ
- 答案：D
- 解析：
  - CPU时钟频率越高，时钟周期越小，执行程序的时间越少
  - 优化数据通路结构可以提高计算机系统的吞吐量，单位时间完成更多的任务，能缩短程序执行时间
  - 对程序进行编译优化可以得到更好的指令序列，能缩短程序执行时间
( 7 )[2013]某计算机主频为1.2GHz，其指令分为4类，它们在基准程序中所占比例及CPI如表1.7所示。
- 该机的MIPS数是
- A.100
- B.200
- C.400
- D.600
- 答案：C
- 解析：
( 8 ) [2012]假定基准程序A在某计算机上的运行时间为100秒，其中90秒为CPU时间，其余为IO
时间。若CPU速度提高50%，IO速度不变，则运行基准程序A所耗费的时间是
- A.55秒
- B. 60秒
- C. 65秒
- D.70秒
- 答案：D
- 解析：
( 9 )[2014]程序Р在机器M上的执行时间是20秒，编译优化后,P执行的指令数减少到原来的70%，而CPI增加到原来的1.2倍，则P在M上的执行时间是
- A.8.4秒
- B.11.7秒
- C.14.0秒
- D.16.8秒
- 答案：D
- 解析：
( 10 )[2017]假定计算机MI和M2具有相同的指令集体系结构(ISA)，主频分别为1.5GHz和1.2GHz。在M1和M2上运行某基准程序P，平均CPI分别为2和1，则程序Р在M1和M2上运行时间的比值是
- A.0.4
- B.0.625
- C. 1.6
- D.2.5
- 答案：C
- 解析：

1.3 冯·诺依曼结构计算机的基本思想是什么?按此思想设计的计算机硬件系统应由哪些部件组成?它们各有何作用?

答：
冯·诺依曼结构计算机的基本思想是存储程序和程序控制的思想，存储程序就是将解题的步骤编制成程序，然后将程序和运行程序所需的数据以二进制的形式存放到存储器中；程序控制是指计算机中的控制器按照地址访问存储器，从存储器中取出指令，并按顺序执行，控制各功能部件进行相应的操作，完成数据的加工处理。
冯·诺依曼结构计算机的硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备组成。存储器的主要功能是存放程序和数据；运算器对数据进行算数运算和逻辑运算；控制器产生指令执行过程中所需要的控制信号，控制相关功能部件执行相应操作，使计算机各部件协调的工作；输入设备是将人们熟悉的信息形式转成计算机能接收并识别的信息形式；输出设备是将计算机运算结果转换成人们和其他设备能接收和识别的信息形式的设备。

1.4 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?

答：
计算机系统分成6级层次结构，自下向上分别是逻辑门层、微代码层、指令集架构层、操作系统层、汇编语言层、高级语言层。
逻辑门层是计算机系统底层的硬件系统；微代码层为指令集架构层提供机器指令的解释执行功能；指令集架构层是软硬件系统的界面，可通过机器语言编写程序实现对计算机硬件的控制；操作系统层负责调度计算机中的软件和硬件资源，方便用户使用计算机；汇编语言层使用与机器直接相关的汇编语言编写程序，汇编成目标代码可直接在机器上运行；高级语言层是面向用户的抽象层，使用与机器无关的高级语言编程，代码在编译器的作用下生成汇编代码。