第4章冯诺依曼计算机机器级程序及其执行练习题答案解析

第1章计算机系统结构的基本概念1.1 解释下列术语层次机构：按照计算机语言从低级到高级的次序，把计算机系统按功能划分成多级层次结构，每一层以一种不同的语言为特征。

这些层次依次为：微程序机器级，传统机器语言机器级，汇编语言机器级，高级语言机器级，应用语言机器级等。

虚拟机：用软件实现的机器。

翻译：先用转换程序把高一级机器上的程序转换为低一级机器上等效的程序，然后再在这低一级机器上运行，实现程序的功能。

解释：对于高一级机器上的程序中的每一条语句或指令，都是转去执行低一级机器上的一段等效程序。

执行完后，再去高一级机器取下一条语句或指令，再进行解释执行，如此反复，直到解释执行完整个程序。

计算机系统结构：传统机器程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。

透明性：在计算机技术中，把这种本来存在的事物或属性，但从某种角度看又好像不存在的概念称为透明性。

计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现，包含物理机器级中的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。

计算机实现：计算机组成的物理实现，包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，模块、插件、底板的划分与连接，信号传输，电源、冷却及整机装配技术等。

系统加速比：对系统中某部分进行改进时，改进后系统性能提高的倍数。

Amdahl定律：当对一个系统中的某个部件进行改进后，所能获得的整个系统性能的提高，受限于该部件的执行时间占总执行时间的百分比。

程序的局部性原理：程序执行时所访问的存储器地址不是随机分布的，而是相对地簇聚。

包括时间局部性和空间局部性。

CPI：每条指令执行的平均时钟周期数。

测试程序套件：由各种不同的真实应用程序构成的一组测试程序，用来测试计算机在各个方面的处理性能。

存储程序计算机：冯·诺依曼结构计算机。

其基本点是指令驱动。

程序预先存放在计算机存储器中，机器一旦启动，就能按照程序指定的逻辑顺序执行这些程序，自动完成由程序所描述的处理工作。

系列机：由同一厂家生产的具有相同系统结构、但具有不同组成和实现的一系列不同型号的计算机。

第1章习题参考答案１．电子数字计算机和电子模拟计算机的区别在哪里？解：电子数字计算机中处理的信息是在时间上离散的数字量，运算的过程是不连续的；电子模拟计算机中处理的信息是连续变化的物理量，运算的过程是连续的。

２．冯·诺依曼计算机的特点是什么？其中最主要的一点是什么？解：冯·诺依曼计算机的特点如下：①计算机（指硬件）应由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成；②计算机内部采用二进制来表示指令和数据；③将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后再启动计算机工作。

第③点是最主要的一点。

３．计算机的硬件是由哪些部件组成的？它们各有哪些功能？解：计算机的硬件应由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成。

它们各自的功能是：①输入设备：把人们编好的程序和原始数据送到计算机中去，并且将它们转换成计算机内部所能识别和接受的信息方式。

②输出设备：将计算机的处理结果以人或其他设备所能接受的形式送出计算机。

③存储器：用来存放程序和数据。

④运算器：对信息进行处理和运算。

⑤控制器：按照人们预先确定的操作步骤，控制整个计算机的各部件有条不紊地自动工作。

４．什么叫总线？简述单总线结构的特点。

解：总线是一组能为多个部件服务的公共信息传送线路，它能分时地发送与接收各部件的信息。

单总线结构即各大部件都连接在单一的一组总线上，这个总线被称为系统总线。

C P U 与主存、C P U 与外设之间可以直接进行信息交换，主存与外设、外设与外设之间也可以直接进行信息交换，而无须经过C P U 的干预。

５．简单描述计算机的层次结构，说明各层次的主要特点。

解：现代计算机系统是一个硬件与软件组成的综合体，可以把它看成是按功能划分的多级层次结构。

第０级为硬件组成的实体。

第１级是微程序级。

这级的机器语言是微指令集，程序员用微指令编写的微程序一般是直接由硬件执行的。

第２级是传统机器级。

这级的机器语言是该机的指令集，程序员用机器指令编写的程序可以由微程序进行解释。

超流水线以增加流水线级数的方法来缩短机器周期，使相同时间内超流水线能执行更多的机器指令。

3.4第4章习题解答1、简要解释下列名词述语虚拟存储器：依靠操作系统的支持来实现的，为用户提供一个比实际内存大的可访问存储器空间，即在软件编程上可使用的存储器，称为虚拟存储器。

随机存储器RAM：按给定地址随机地访问任一存储单元，访问时间与单元位置无关。

只读存储器ROM：在正常工作中只能读出，不能写入的存储器。

存取周期：指存储器做连续访问操作过程中一次完整的存取操作所需的全部时间。

数据传输率：是数据传入或传出存储器的速率。

动态刷新：对动态存储器中原存信息为1的电容补充电荷，称为动态刷新。

直接映像Cache：将主存与Cache的存储空间划分为若干大小相同的页，每个主存页只能复制到某一个固定的Cache页中。

全相联映像Cache：将主存与Cache的存储空间划分为若干大小相同的页，主存的每一页可以映象到Cache的任一页上。

组相联映像Cache：将主存与Cache都分组，主存中一个组内的页数与Cache的分组数相同。

每一组Cache中含有若干页（一般页数较少）；则主存中的各页与Cache的固定组号有映象关系，可自由映象到对应的Cache组中任一页。

段页式虚拟存储器：将程序按其逻辑结构分段，每段再分为若干大小相同的页，主存空间也划分为若干同样大小的页。

相应地建立段表与页表，分两级查表实现虚实地址的转换。

以页为单位调进或调出主存，按段共享与保护程序及数据。

相联存储器：是一种按内容寻址的存储器，它是根据所存信息的全部特征或部分特征进行存取的存储器，称为相联存储器。

2．请简计算机系统中的三级存储体系结构模式，并分析这种模式的优点和缺点。

答：三级存储体系包括缓存（cache）、内存和外存，这种模式的优点是层次体系清晰、便于设计实现，也利于系统调度管理，能提高存储系统性能；缺点是结构复杂，管理和控制都比较复杂，硬件成本高。

3．何谓随机存取？何谓顺序存取？何谓直接存取？请各举一例进行说明。

计算机体系结构试题及答案一、简答题1、请你简述冯·诺依曼结构的工作原理。

指出：它的结构特点是什么？冯·诺依曼结构是指计算机采用存储程序的工作方式，包含五个部分：算术逻辑单元（ALU）、控制单元（CU）、存储器（Memory）、输入/输出设备（I/O）、数据通路（Bus）。

它的工作原理是，程序从存储器中读取指令，指令分解成操作码和地址，控制单元根据操作码控制算术逻辑单元完成运算，然后将结果存储到存储器中或输出到I/O设备中。

其结构特点是：CPU与存储器采用同一总线，存储程序的方式，将数据和指令存储在同一存储器中，指令操作码和地址采用相同位数的二进制代码表示。

2、请你简述计算机的指令周期，以及每个阶段的作用。

指令周期是指计算机执行一条指令所经历的若干个阶段，一般包括取指令（Fetch）、指令译码（Decode）、执行指令（Execute）、存储结果（Write Back）四个阶段。

具体作用如下：取指令：从存储器中读取指令。

指令译码：对指令进行解析，确定指令的类型和操作数。

执行指令：根据指令类型和操作数进行相应的运算。

存储结果：将执行结果存储到指定的地址中，或者输出到I/O设备中。

3、请你简述计算机CPU的主要组成部分及其作用。

计算机CPU包含三个主要组成部分：算术逻辑单元（ALU）、控制单元（CU）、寄存器组。

具体作用如下：算术逻辑单元（ALU）：执行算术和逻辑运算，例如加、减、乘、除、与、或、非等运算。

控制单元（CU）：控制计算机的运行，包括指令译码、节拍发生、中断处理、目标跳转等操作。

寄存器组：存储一些特殊的数据，例如程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、通用寄存器等。

4、请你简述计算机的系统总线及其作用。

计算机的系统总线是一种用于传送信息的共享通信通路，分为三类：地址总线（Address Bus）、数据总线（Data Bus）、控制总线（Control Bus）。

其主要作用是实现各个组件之间的数据传输和控制信号传送，如CPU向存储器读写数据、I/O设备访问存储器等。

1．1 概述数字计算机的发展经过了哪几个代？各代的基本特征是什么？略。

1．2 你学习计算机知识后，准备做哪方面的应用？略。

1．3 试举一个你所熟悉的计算机应用例子。

略。

1．4 计算机通常有哪些分类方法？你比较了解的有哪些类型的计算机？略。

1．5 计算机硬件系统的主要指标有哪些？答：机器字长、存储容量、运算速度、可配置外设等。

答：计算机硬件系统的主要指标有：机器字长、存储容量、运算速度等。

1．6 什么是机器字长？它对计算机性能有哪些影响？答：指CPU一次能处理的数据位数。

它影响着计算机的运算速度，硬件成本、指令系统功能，数据处理精度等。

1．7 什么是存储容量？什么是主存？什么是辅存？答：存储容量指的是存储器可以存放数据的数量（如字节数）。

它包括主存容量和辅存容量。

主存指的是CPU能够通过地址线直接访问的存储器。

如内存等。

辅存指的是CPU不能直接访问，必须通过I/O接口和地址变换等方法才能访问的存储器，如硬盘，u盘等。

1．8 根据下列题目的描述，找出最匹配的词或短语，每个词或短语只能使用一次。

（1）为个人使用而设计的计算机，通常有图形显示器、键盘和鼠标。

（2）计算机中的核心部件，它执行程序中的指令。

它具有加法、测试和控制其他部件的功能。

（3）计算机的一个组成部分，运行态的程序和相关数据置于其中。

（4）处理器中根据程序的指令指示运算器、存储器和I/O设备做什么的部件。

（5）嵌入在其他设备中的计算机，运行设计好的应用程序实现相应功能。

（6）在一个芯片中集成几十万到上百万个晶体管的工艺。

（7）管理计算机中的资源以便程序在其中运行的程序。

（8）将高级语言翻译成机器语言的程序。

（9）将指令从助记符号的形式翻译成二进制码的程序。

（10）计算机硬件与其底层软件的特定连接纽带。

供选择的词或短语：1、汇编器2、嵌入式系统3、中央处理器（CPU）4、编译器5、操作系统6、控制器7、机器指令8、台式机或个人计算机9、主存储器10、VLSI答：（1）8，（2）3，（3）9，（4）6，（5）2，（6）10，（7）5，（8）4，（9）1，（10）7计算机系统有哪些部分组成？硬件由哪些构成？答：计算机系统硬件系统和软件系统组成。

第4章冯.诺依曼计算机：机器级程序及其执行1、关于“图灵机”，下列说法不正确的是_____。

(A)图灵机给出的是计算机的理论模型；(B)图灵机的状态转移函数<q, X, Y, R(或L或N), p>，其实就是一条指令，即在q状态下，当输入为X时，输出为Y，读写头向右(R)、向左(L)移动一格或不动(N)，状态变为p；(C)图灵机是一种离散的、有穷的、构造性的问题求解思路；(D)凡是能用算法方法解决的问题也一定能用图灵机解决；凡是图灵机解决不了的问题人和算法也解决不了；(E)上述有不正确的。

答案：E解释：本题考核基本的图灵机模型。

20世纪30年代，图灵提出了图灵机模型，建立了指令、程序及通用机器执行程序的理论模型，奠定了计算理论的基础，因此(A)正确；选项(B)是图灵机的五元组形式的指令集，是一个行动集合，又称状态转移函数，因此正确；图灵机是一种离散的、有穷的、构造性的问题求解思路，一个问题的求解可以通过构造其图灵机（即算法和程序）来解决，因此(C)正确；(D)为图灵可计算性问题，正确。

综上，本题答案为(E)。

具体内容请参考第四章视频之“图灵机的思想与模型简介”以及第四章课件。

2、关于“图灵机”和“计算”，下列说法不正确的是_____。

(A)计算就是对一条两端可无限延长的纸带上的一串0和1，一步一步地执行指令，经过有限步骤后得到的一个满足预先规定的符号串的变换过程；(B)“数据”可被制成一串0和1的纸带送入机器中进行自动处理，被称为数据纸带；处理数据的“指令”也可被制作成一串0和1的纸带送入机器中，被称为程序纸带；机器一方面阅读程序纸带上的指令，并按照该指令对数据纸带上的数据进行变换处理。

(C)计算机器可以这样来制造：读取程序纸带上的指令，并按照该指令对数据纸带上的数据做相应的变换，这就是图灵机的基本思想；(D)上述有不正确的。

答案：D大学计算机-计算思维练习题集解释：本题考核对图灵机思想的理解。

计算机组成原理复习题答案习题集和解析第一章计算机系统概论1. 什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件？硬件和软件哪个更重要？解：P3计算机系统：由计算机硬件系统和软件系统组成的综合体。

计算机硬件：指计算机中的电子线路和物理装置。

计算机软件：计算机运行所需的程序及相关资料。

硬件和软件在计算机系统中相互依存，缺一不可，因此同样重要。

5. 冯•诺依曼计算机的特点是什么？解：冯•诺依曼计算机的特点是：P8●计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件组成；●指令和数据以同同等地位存放于存储器内，并可以按地址访问；●指令和数据均用二进制表示；●指令由操作码、地址码两大部分组成，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；●指令在存储器中顺序存放，通常自动顺序取出执行；●机器以运算器为中心（原始冯•诺依曼机）。

7. 解释下列概念：主机、CPU、主存、存储单元、存储元件、存储基元、存储元、存储字、存储字长、存储容量、机器字长、指令字长。

解：P9-10主机：是计算机硬件的主体部分，由CPU和主存储器MM合成为主机。

CPU：中央处理器，是计算机硬件的核心部件，由运算器和控制器组成；（早期的运算器和控制器不在同一芯片上，现在的CPU内除含有运算器和控制器外还集成了CACHE）。

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，不能单独存取。

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：指CPU一次能处理的二进制数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关。

精选计算机基础难题与答案解析计算机基础是计算机科学与技术领域中最为基础的学科之一，它涵盖了计算机体系结构、数据结构、算法、计算机网络等内容。

在学习计算机基础的过程中，难题的出现是不可避免的。

本文将为您介绍一些精选的计算机基础难题，并提供相应的答案解析。

一、题目一：计算机体系结构1. 什么是冯·诺伊曼体系结构？答案解析：冯·诺伊曼体系结构是一种基于存储程序概念的计算机体系结构，它由冯·诺伊曼提出。

该体系结构的特点是程序和数据存储器是统一的，指令和数据以二进制形式存储，通过计算机总线进行数据传输。

2. 解释什么是指令流水线？答案解析：指令流水线是一种提高指令处理效率的技术。

它将指令处理的不同阶段划分为若干子阶段，并使多条指令在同一时钟周期内同时进行不同的阶段，以达到同时执行多条指令的目的。

二、题目二：数据结构1. 什么是栈和队列？答案解析：栈和队列是两种常见的数据结构。

栈是一种后进先出（LIFO）的数据结构，只允许在栈的一端进行插入和删除操作。

队列是一种先进先出（FIFO）的数据结构，允许在队列的一端进行插入操作，在另一端进行删除操作。

2. 请写出链表的逆序算法。

答案解析：链表的逆序算法可以通过修改指针的指向来实现。

假设当前链表的头节点为H，要逆序链表，则可以从头节点开始，依次将每个节点的指针指向其前一个节点，直到链表的最后一个节点。

三、题目三：算法1. 请说明时间复杂度和空间复杂度的概念。

答案解析：时间复杂度是衡量算法执行时间的指标，表示算法的执行时间随问题规模增长的趋势。

空间复杂度是衡量算法所需存储空间的指标，表示算法执行时所占用的存储空间随问题规模增长的趋势。

2. 解释什么是排序算法，并给出一个例子。

答案解析：排序算法是将一组数据按照一定顺序进行排列的算法。

其中，冒泡排序是一种简单的排序算法。

它重复地比较相邻的两个元素，如果它们的顺序错误就将它们交换，直到整个序列有序。

计算机应用基础各章课后习题-有答案第一章：计算机的基本概念与分类习题1：什么是计算机？它有哪些基本组成部分？答案：计算机是一种可编程的电子设备，用于进行数据处理和存储。

其基本组成部分包括中央处理器（CPU）、内存、输入设备、输出设备和存储设备。

习题2：计算机可以按照什么标准进行分类？答案：计算机可以按照多种标准进行分类，包括按照规模分为超级计算机、大型计算机、小型计算机和微型计算机；按照用途分为通用计算机、专用计算机和嵌入式计算机；按照结构分为冯·诺依曼结构和哈佛结构等。

第二章：计算机硬件系统习题1：什么是CPU？它的主要功能是什么？答案：CPU是计算机的核心部件之一，全称为中央处理器。

它的主要功能是解析和执行计算机指令，进行算术和逻辑运算，并控制其他硬件设备的工作。

习题2：什么是内存？它有哪些类型？答案：内存是计算机用于存储数据和指令的部件。

根据数据读写方式的不同，内存可以分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）两种类型。

第三章：计算机软件系统习题1：什么是计算机软件？它有哪些分类？答案：计算机软件是指由计算机程序和相关数据组成的计算机系统中的非硬件部分。

根据用途和性质的不同，计算机软件可以分为系统软件、应用软件和中间件等分类。

习题2：什么是操作系统？它的主要功能是什么？答案：操作系统是一种系统软件，它管理和控制计算机的硬件资源，并提供各种服务和接口给其他应用软件使用。

其主要功能包括处理器管理、内存管理、文件系统管理、设备管理和用户接口等。

第四章：计算机网络习题1：什么是计算机网络？它有哪些类型？答案：计算机网络是指连接在一起的多个计算机和其他设备通过通信线路进行数据传输和资源共享的系统。

根据规模和拓扑结构的不同，计算机网络可以分为局域网、城域网、广域网和互联网等。

习题2：什么是协议？它在计算机网络中的作用是什么？答案：协议是计算机网络中的一种约定或规范，用于规定通信双方的数据交换格式、报文结构和通信行为等。