第3章 计算机硬件系统 习题与答案

第三章习题

（1）复习题

1．计算机由哪几部分组成，其中哪些部分组成了中央处理器？

答：计算机硬件系统主要由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备等五部分组成其中，运算器和控制器组成中央处理器（CPU）。（P69）

2．试简述计算机多级存储系统的组成及其优点？

答：多级存储系统主要包括：高速缓存、主存储器和辅助存储器。

把存储器分为几个层次主要基于下述原因：

（1）合理解决速度与成本的矛盾，以得到较高的性能价格比。

（2）使用磁盘、磁带等作为外存，不仅价格便宜，可以把存储容量做得很大，而且在断电时它所存放的信息也不丢失，可以长久保存，且复制、携带都很方便。(P74-P75)

3．简述Cache的工作原理，说明其作用。

答：Cache的工作原理是基于程序访问的局部性的。即主存中存储的程序和数据并不是CPU 每时每刻都在访问的，在一段时间内，CPU只访问其一个局部。这样只要CPU当前访问部分的速度能够与CPU匹配即可，并不需要整个主存的速度都很高。

Cache与虚拟存储器的基本原理相同，都是把信息分成基本的块并通过一定的替换策略，以块为单位，由低一级存储器调入高一级存储器，供CPU使用。但是，虚拟存储器的替换策略主要由软件实现，而Cache的控制与管理全部由硬件实现。因此Cache效率高并且其存在和操作对程序员和系统程序员透明，而虚拟存储器中，页面管理虽然对用户透明，但对程序员不透明；段管理对用户可透明也可不透明。

Cache的主要作用是解决了存储器速度与CPU速度不匹配的问题，提高了整个计算机系统的性能。(P77) 4．描述摩尔定律的内容，并说明其对于计算机的发展具有怎样的指导意义？

答：摩尔定律（Moore law）源于1965年戈登·摩尔（GordonMoore，时任英特尔(Intel)公司名誉董事长）的一份关于计算机存储器发展趋势的报告。根据他对当时掌握的数据资料的整理和分析研究，发现了一个重要的趋势：每一代新芯片大体上包含其前一代产品两倍的容量，新一代芯片的产生是在前一代产生后的18-24个月内。

随着计算机技术的发展，摩尔定律得到业界人士的公认，并产生巨大的反响，逐渐成为硬件领域最重要的规律。许多基于未来预期的研究和预测都是以它为理论基础。这里需要特别指出，摩尔定律并非数学、物理定律，而是对发展趋势的一种分析预测，因此，无论是它的文字表述还是定量计算，都应当容许一定的宽裕度。

从某种意义上说，摩尔定律是关于人类创造力的定律，而不是物理学定律。摩尔定律实际上是关于人类信念的定律，当人们相信某件事情一定能做到时，就会努力去实现它。摩尔当初提出他的观察报告时，在某种程度上是给了人们一种信念，使大家相信他预言的发展趋势一定会持续。而所以摩尔定律在长达40多年的时间里不断被证实，正是由于人们这些年来的不懈努力。摩尔提出的周期可以认为是英特尔公司芯片研发的基本计划周期。(P72-P73)

5．与主存相比Cache具有哪些特点？

答：主存相比Cache具有以下特点：

（1）Cache一般用存取速度高的SRAM元件组成，其速度已经与CPU相当。

（2）Cache与虚拟存储器的基本原理相同，都是把信息分成基本的块并通过一定的替换策略，以块为单位，由低一级存储器调入高一级存储器，供CPU使用。但是，虚拟存储器的替换策略主要由软件实现，而Cache的控制与管理全部由硬件实现。因此Cache效率高并且其存在和操作对程序员和系统程序员透明，而虚拟存储器中，页面管理虽然对用户透明，但对程序员不透明；段管理对用户可透明也可不透明。

（3）Cache的价格较贵，为了保持最佳的性能价格比，Cache的容量应尽量小，但太小会影响命中率，所以Cache的容量是性能价格比和命中率的折衷。（P77）

6．简述RAM元件与ROM元件的存储原理的区别及其应用领域？

答：随机存取存储器（Random-Access Memory，简称RAM）要求能随机地对存储器中的任何单元进行存取，且与存取的时间和该单元的物理位置无关。

只读内存（Read-Only Memory，简称ROM）是一种在机器运行过程中只能读出、不能写入信息的存储器，采用非易失性器件制造，在没有电源供电的情况下，其存储的信息也能长期保存。

主内存和高速缓冲存储器通常采用RAM，而ROM在计算机中主要用来保存出厂的一些固定设置和系统硬件引导程序，即通常所谓BIOS，ROM技术也用于一些固件产品中。(P75-P77)

7．I/O设备主要包含哪几类，并分别举例？

答：机-机通信设备，如调制解调器（Modem）或组网用的网卡

计算机信息的驻存设备，即计算机的外存储设备，如磁盘、光盘等

人-机交互设备，就是人和计算机间交流信息的设备，如键盘、图形扫描仪、摄像机、语言识别器等(P80-81)

9．计算机辅助存储器主要包含哪几类，为什么说闪存可能成为替代机械硬盘的存储器？答：辅助存储器是主存储器的后援存储设备，用以存放当前暂时不用的程序或数据。对辅助存储器的基本要求是：容量大、成本低、可以长时间不加电保存信息。目前主要有磁记录、光记录两类，具体形式如磁盘、磁带、光盘、光磁盘等。

从理论上讲，闪存属于电子器件，其速度比硬盘、光盘等机械装置快，而且具备抗震动、体积小、功耗低等优点。现在已经出现以闪存为核心的固态硬盘，但由于成本原因，其容量还不能做到很大。

另一方面，闪存不像RAM（随机存取存储器）一样以字节为单位改写数据，而且由于其技术原因，其速度也没有RAM快，因此无论从哪方面看，闪存并不会取代RAM。事实上，现在闪存的速度还没有完全赶上高速硬盘的速度，但从长远看，它是替代机械硬盘的良好替代方案。(P78-P79)

（2）练习题

1．一个完整的计算机系统包括_________。

A）计算机及其外部设备B）主机、键盘、显示器

C）系统软件和应用软件D）硬件系统和软件系统

D （P69）

2．计算机的主存储器主要使用_________。

A）RAM和C磁盘B）ROM

C）ROM和RAM D）硬盘和控制器

C (P75)

3．下列各类存储器中，断电后其中信息会丢失的是_________。

A）RAM B）ROM C）硬盘D）软盘

A （P75）

4．中央处理器CPU是指_________。

A）运算器B）控制器

C）运算器和控制器D）运算器、控制器和主存

C (P70)

5．下面关于Cache的叙述，错误的是_________。

A）高速缓冲存储器简称Cache

B）Cache处于主存与CPU之间

C）程序访问的局部性为Cache的引入提供了理论依据