计算机组成原理(白中英) 第一章课后题部分答案（知识点汇总及扩展）

1. 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成分？

2. 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？

3. 什么是指令？什么是程序？

4. 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？

5. 计算机的系统软件包括哪几类？说说他们的用途。

6. 说明软件发展的演变过程。

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

8. 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？

1. 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成分？

冯·诺依曼型计算机的主要设计思想是存储程序和程序控制。存储程序是指将指令以二进制代码的形式事先输入计算机的主存储器，即内存（按其在存储器中的首地址执行程序的第一条指令）；程序控制是指控制器顺序执行存储的程序。

冯·诺依曼型计算机主要组成成分包括：运算器（以运算器为中心）、存储器、控制器、输入设备、输出设备。

2. 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？

存储容量：指存储器所能容纳的二进制信息量，计算公式为：存储容量=存储单元个数*存储字长（其中存储单元个数由存储地址寄存器MAR的位数反映，若MAR=32位，则存储单元个数=2^32个；存储字长=MDR位数）

单元地址：单元地址指存储单元唯一的地址编号（每个存储单元存放一串二进制代码）。

数据字：代表数据的二进制代码组合。执行阶段从内存读出的信息流为数据流，它会流向运算器，代表数据，称为“数据字”。（一个字=16bit）

指令字：代表指令的二进制代码组合。取指阶段从内存读出的信息流为指令流，它会流向控制器，代表指令，称为“指令字”。

3. 什么是指令？什么是程序？

指令：计算机所能识别并执行的基本操作，为一串二进制数形式。指令由操作码和地址码组成，操作码代表执行什么操作（指令的类型），地址码代表存放操作数和操作结果的地址。

程序：指令的有序集合。

4. 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？

计算机可以通过时间和空间来区分指令和数据（主要是通过时间：指令周期的不同阶段）。

时间上：取指周期CPU通过指令流取指令并存放在指令寄存器，然后解释并执行该指令；执行指令时期CPU通过数据流取数据并存放在数据寄存器中。

空间上：取指周期取出的指令会送往控制器；执行周期从内存中取出的数据送往运算器，向内存中写入的数据也来自运算器。

5. 计算机的系统软件包括哪几类？说说他们的用途。

计算机的系统软件包括4类，分别为操作系统、语言处理程序、数据库管理系统、辅助程序。

操作系统：在计算机系统软件中最重要且最基本的就是操作系统（OS）。它是计算机最底层的软件，控制所有计算机运行的程序并管理整个计算机的资源、自动调度用户作业程序、处理各种中断的软件具有处理机管理、存储器管理、设备管理、文件管理四大功能，是用户与计算机的接口。

语言处理程序：计算机只能直接识别和执行机器语言，因此要在计算机上运行高级语言程序就必须配备程序语言翻译程序，翻译程序本身是一组程序，不同的高级语言都有相应的翻译程序。如：C语言。用机器语言编制的程序，称为目标程序，语言程序将源程序翻译成目标程序。 语言处理程序如汇编语言汇编器，C语言编译、连接器等。

数据库管理系统：数据库管理系统会有组织地、动态地存储大量数据，使人们能方便、高效地使用这些数据。数据库管理系统是一种操纵和管理数据库的大型软件，用于建立、使用和维护数据库。

辅助程序：系统辅助处理程序也称为“软件研制开发工具”、“支持软件”、“软件工具”，主要有编辑程序、调试程序、装备和连接程序。

6. 说明软件发展的演变过程。

软件的发展大致经历了5个阶段：

第一阶段（1946-1953）：机器语言，汇编语言，只有少数专业人员能够编写程序，且主要用于科学研究计算。

第二阶段（1954-1964）：高级程序设计语言：容易学习，方便编程，提高了程序的可读性。这一时期的程序规模小，因此编写比较容易，还没有形成系统化的方法，对软件的开发过程更没有进行任何管理。

第三阶段（1965-1970）：计算机得到发展：中小规模集成电路取代晶体管，处理器的运算速度大幅度提高。该阶段出现操作系统，结构化程序设计理念逐渐确立。数据量庞大，用户对共享数据的需求导致出现了数据库技术及数据库管理系统。出现“软件危机”：1968年北大西洋公约组织的计算机科学家召开会议，正式提出“软件工程”。

第四阶段（1971-1989）：出现了结构化程序设计技术（Pascal、Basic），1973年功能强大的C语言诞生。人机交互的方式改变：引入了鼠标的概念和点击式的图形界面。 20世纪80年代，微电子和数字化声像技术发展，在计算机应用程序中开始使用图像、声音等多媒体信息。出现了多用途的应用程序，面向没有任何计算机经验的用户。

第五阶段（1990年-至今）：面向对象的程序设计逐步代替了结构化程序设计。 HTML语言和浏览器产生，软件体系结构由集中式的主机模式变为分布式的客户端/服务器模式或浏览器/服务器模式，通信技术和计算机网络的飞速发展。

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

现代计算机系统可分为五个层次（下层是上层的基础、上层是对下层的功能扩展）。从下到上依次为：第一级是微程序/微指令设计级，由硬件直接执行微指令（操作码、地址码）；第二级是传统机器级，执行二进制机器语言指令；第三级是操作系统级，向上提供广义指令（系统调用）；第四级是汇编语言级，执行汇编语言；第五级是高级语言级，执行高级语言。其中前二级是硬件系统，后两级是软件系统对硬件系统的功能扩展，第三级操作系统级可以说是软件与硬件的一个交界面。这种分级不是绝对的，比如随着大规模集成电路和固件的发展，硬件的功能在不断往上层延伸，而且不同的硬件结构，其层次也不同，如硬布线控制器的计算机，就没有微程序级。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有很大帮助。

8. 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？

软硬件可以相互转化是由于硬件和软件的逻辑等价性，使得任何操作可以由软件来实现，也可由硬件来实现；任何指令的执行可以由硬件来完成，同样也可以由软件来完成。（比如：要执行乘法操作：可以直接用硬件设计乘法运算器电路；也可以用软件进行多次加法实现）

固件是软件和硬件相互转化的媒介。将程序固定在只读存储器ROM中组成的部件称为固件。固件是计算系统中具有软件特性的硬件，它具有硬件的快速性特点，又有软件的灵活性特点。