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）ROMC）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CacheB）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D）Cache的速度远比CPU的速度慢D (P77)6．EPROM是指_________。

A）随机读写存储器B）只读存储器C）可编程只读存储器D）可擦除可编程只读存储器D (P76)8．下列不能做输出设备的是_________。

A）扫描仪B）显示器C）光学字符阅读机D）打印机AC (P80)9．计算机内存的存取速度比外存储器_______，内存由_______和_______组成。

快主存高速缓存(P75)10．计算机由_______、_______、_______、_______和_______五部分组成，其中_______和_______组成CPU。

运算器控制器存储器输入设备输出设备运算器控制器(P70)11．计算机系统中的总线一般由_______总线、_______总线和_______总线组成。

系统总线内部总线I/O总线(P83)12．运算器是计算机五大功能部件之一，由_______、_______、_______和_______组成，它是数据加工处理部件。

在_______的指挥控制下，完成指定给它的运算处理功能。

运算器通常包括_______和_______两种类型。

加法器移位器多路选择器通用寄存器组控制器定点运算器浮点运算器（P69-P71）13．控制器主要由_______、_______和_______组成。

CPU寄存器组操作控制部件时序部件(P70-P71)14．存储器是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。

计算机中的全部信息，包括输入的_______、_______、_______和_______都保存在存储器中。

它根据控制器_______存入和取出信息。

输入的数据运行的程序运算的中间结果最终结果指定的位置(P73)15．现代计算机中的主存储器按照信息的存取原理可以分为_______和_______两大类。

RAM ROM (P75-P76)16．按照与CPU的接近程度，存储器分为_______与_______，简称内（主）存与外（辅）存。

主存属于______的组成部分；辅存属于_______。

CPU不能像访问内存那样，直接访问外存，外存要与CPU或I/O设备进行数据传输，必须通过内存进行。

内部存储器外部存储器主机外部设备(P74)17．外设的发展促进了计算机的应用，外设的_______化、_______化、_______化是外设的发展方向。

智能化小型化接口标准化(P80)19、判断题（1）．中央处理器由控制器和存储器组成。

（）（2）．Cache的速度远高于CPU。

（）（3）．存储器容量越大，则其存取数据的速度越慢。

（）（4）．ROM在断电后，仍能保存其存储的数据。

（）（1）×(P70) （2）×(P77) （3）√(P72-P77) （4）√(P76)20．画出计算机硬件系统的基本框图结构，并简述其各部分的主要功能。

计算机的CPU运算器在硬件实现时称作算术逻辑部件ALU（Arithmetic Logic Unit）。

它是计算机中执行各种算术和逻辑运算操作的部件控制器的主要作用就是控制计算机各功能部件按照程序执行的要求协调有序的工作。

其与运算器一起组成中央处理器（CPU），是计算机的核心部件。

存储器（Memory），是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。

输入/输出设备是计算机基本功能部件，由于其通常作为单独的设备配置在主机之外，又称为计算机外围设备（简称外设或I/O设备）。

它们是计算机与人和计算机与其他机器之间建立关系的设备。

(P70-P80)21．叙述“输入”和“输出”的概念，并举例说出3种以上的计算机输入和输出设备答：“输入”，就是通过输入设备，把人的五感可以识别的信息媒体，转换成计算机可以识别的信息。

输入设备主要有键盘、图形扫描仪、摄像机、语言识别器等；“输出”就是把计算机处理的结果信息，转换为人的五感可以识别的信息媒体。

输出设备主要有打印机、显示器、绘图仪、语音合成器等。

(P80-P81)22．计算机存储器分为内存和外存，它们的主要区别和用途是什么？答：存储器分为主存储器（简称主存）和辅助存储器（简称辅存）。

在早期的计算机中，由于主存储器通常与处理器集中配置在主机内部作为主机的一部分，所以俗称为内部存储器（简称内存）；而辅助存储器（简称辅存），由于体积较大，通常作为单独的外部设备配置，俗称外部存储器（简称外存）。