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习题解答
第1章计算机系统概述

1. 给出以下概念的解释说明
   （1）中央处理器(CPU 全称：Central Processing Unit CPU)
   通常把控制部件、运算部件和各类寄存器互联组成的电路称为中央处理器,简称处理器。
   （2）算术逻辑部件(ALU 全称：Arithmetic Logic Unit)
   用来进行算术逻辑运算的部件，即算术逻辑部件。
   （3）通用寄存器
   临时存放从主存取来的数据或运算的结果。
   （4）程序计数器(PC 全称：Program Counter)
   在执行当前指令的过程中，自动计算出下一条指令的地址并送到PC中保存。
   （5）指令寄存器(IR)
   从主存取来的指令需要临时保存在指令寄存器中。
   （6）控制器
   用于自动逐条取出指令并进行译码的部件，即控制元件(ControlUnit，CU)，也称控制器。
   （7）主存储器
   用来存放指令和数据。
   （8）总线
   CPU为了从主存取指令和存取数据，需要通过传输介质和主存相连，通常把连接不同部件进行信息传输的介质称为总线。
   （9）主存地址寄存器(MAR 全称：Memory Adress Register)
   CPU送到地址线的主存地址应先存放在主存地址寄存器中。
   （10）主存数据寄存器(MDR 全称：Memory Data Register)
   CPU发送到或从数据线取来的信息存放在主存数据寄存器中。
   （11）机器指令
   计算机能理解和执行的程序称为机器代码或机器语言程序，其中的每条指令都由0和1组成，称为机器指令。

（12）指令操作码
操作码字段指出指令的操作类型，如取数、存数、加、减、传送、跳转等。
（13）高级程序设计语言
高级程序设计语言简称高级编程语言，是指面向算法设计的、较接近于日常英语书面语言的程序设计语言，如BASICC/C++、Java等。
（14）汇编语言（Assembly Language）
通过用简短的英文符号和机器指令建立对应关系,以方便程序员编写和阅读程序。这种语言称为汇编语言。
（15）机器语言
使用特定计算机规定的指令格式面形成的0/1序列称为机器语言。
（16）机器级语言
汇编语言和机器语言都属于低级语言，它们统称为机器级语言。
（17）源程序
被翻译的语言和程序分别称为源语言和源程序
（18）目标程序
翻译生成的语言和程序分别称为目标语言和目标程序。
（19）编译程序(Compiler)
编译程序也称编译器。用于将高级语言源程序翻译成汇编语言或机器语言目标程序。
（20）解释程序(Interpreter)
解释程序也称解释器。用于将源程序中的语句按其执行顺序逐条翻译成机器指令并立即执行。
（21）汇编程序(Asscmmbler)
汇编程序也称汇编器。用于将汇编语言源程序翻译成机器语言目标程序。
（22）语言处理系统
提供程序编辑器和各类翻译转换软件的工具包统称为语言处理系统或软件的集成开发环境(Integrated Development Environment，IDE)。

（23）设备控制器
外设通过 I/O 控制器或 I/O适配器连接到主机上，I/O 控制器或 I/0 适配器统称为设备控制器。
（24）最终用户(End User)
使用应用软件完成特定任务的计算机用户称为最终用户。
（25）系统管理员(System Administrator)
系统管理员是指利用操作系统、数据库管理系统等软件提供的功能对系统进行配置、管理和维护，以建立高效合理的系统环境供计算机用户使用的操作人员。
（26）应用程序员(Application Programmer)
应用程序员是指使用高级编程语言编制应用软件的程序员;
（27）系统程序员(System Programmer)
系统程序员则是指设计和开发系统软件的程序员。
（28）指令集体系结构(ISA 全称：Instruction Set Architecture)
从应用问题到机器语言程序的每次转换所涉及的概念都是属于软件的范畴，而机器语言程序所运行的计算机硬件和软件之间需要有一个“桥梁”这个在软件和硬件之间的界面就是指令集体系结构，简称指令集架构或指令系统。
（29）微体系结构
实现 ISA的电路逻辑结构称为计算机组织(Computer Organization)或微体系结构(Mi-croarchitecture),简称微架构。
（30）透明
在计算机技术中，一个存在的事物或概念从某个角度看似乎不存在，即对实际存在的事物或概念感觉不到，则称为透明。
（31）响应时间
响应时间是指从作业提交开始到作业完成所用的时间。
（32）吞吐率
吞吐率表示在单位时间内所完成的工作量。
（33）用户CPU时间
用户 CPU时间指真正用于运行用户程序代码的时间。
（34）时钟周期
计算机必须能够产生同步的时钟定时信号，也就是CPU主脉冲信号，其宽度称为时钟周期(Clock cycle、tick、clock tick、clock)。
（35）主频/时钟频率
CPU的主频就是CPU主脉冲信号的时钟频率(Cock Rate)，是CPU时钟周期的倒数。
（36）CPI(Cycles Per Instruction)
CPI表示执行一条指令所需的时钟周期数，是CPU最小的工作单元时间
（37）基准程序(Benchmarks)
基准程序是进行计算机性能评测的一种重要工具。基准程序是专门用来进行性能评价的一组程序,能够很好地反映机器在运行实际负载时的性能可以通过在不同机器上运行相同的基准程序来比较在不同机器上的运行时间，从而评测其性能。
（38）MIPS(Million Instruction Per Second)
指令速度所用的计量单位为MIPS，其含义是平均每秒钟执行多少百万条指令。
（39）峰值 MIPS (Peak MIPS)
选取一组指令组合，使得得到的平均CPI最小，由此得到的 MIPS就是峰值 MIPS。
（40）相对 MIPS(Relative MIPS)
相对 MIPS是根据某个公认的参考机型来定义的相应 MIPS值,其值的含义是被测机型相对于参考机型MIPS的倍数。
（41）MFLOPS（MillionFLOating-point operations Per Second）
与定点指令运行速度 MIPS 相对应的用来表示浮点操作速度的指标是MFLOPS。它表示每秒所执行的浮点运算有多少百万次，它是基于所完成的操作次数而不是指令数来衡量的。
（42）GFLOPS
浮点操作速度 109次/s。
（43）TFLOPS
浮点操作速度 1012次/s。
（44）PFLOPS
浮点操作速度 1015次/s。
（45）EFLOPS
浮点操作速度 1018次/s。
2. 简单回答下列问题。
（1）冯·诺依曼计算机由哪几部分组成?各部分的功能是什么?
1)采用“存储程序”工作方式。
2)计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大基本部件组成。
3)
存储器能存放数据，也能存放指令，在形式上没有区别，但计算机应能区分他们;
控制器应能自动执行指令;
运算器能进行基本算术和逻辑运算;
操作人员可以通过输入/输出设备使用计算机。
4)计算机内部以二进制形式表示指令和数据;每条指令由操作码和地址码两部分组成,操作码指出操作类型,地址码指出操作数的地址;由一串指令组成程序。
（2）什么是“存储程序”工作方式?
必须将事先编好的程序和原始数据送入主存后才能执行程序，一旦程序被启动执行，计算机不需要操作人员干预就能自动完成逐条指令取出和执行的任务。
（3）一条指令的执行过程包含哪几个阶段?
1.取指令 2.指令译码 3.PC增量 4.取数并执行 5.送结果
从主存取指令->对指令进行译码->PC 增量->取操作数并执行->将结果送至主存或寄存器保存。
（4）计算机系统的层次结构如何划分?
1.计算机硬件 2.指令集体系结构 3.操作系统 4.语言处理系统 5.应用程序
（5）计算机系统的用户可分为哪几类?每类用户工作在哪个层次?
按照在计算机上完成任务的不同，可以把使用计算机的用户分成以下4类:最终用户、系统管理员、应用程序员和系统程序员。
·最终用户工作在由应用程序提供的最上面的抽象层
·系统管理员工作在由操作系统提供的抽象层
·应用程序员工作在由语言处理系统(主要有编译器和汇编器)的抽象层，语言处理系统建立在操作系统之上
·系统程序员(实现系统软件)工作在ISA层次，必须对ISA非常了解

（6）程序的CPI与哪些因素有关?
与系统机构，指令集，计算机组织有关。 （！与时钟频率无关！）
（7）为什么说性能指标MIPS不能很好地反映计算机的性能?
MIPS反映了机器执行定点指令的速度，但是，用MIPS来对不同的机器进行性能比较是不准确或不客观的。因为不同机器的指令集不同,而且指令的功能也不同，
也许在机器 A上某一条指令的功能,在机器 B上要用多条指令来完成,因此，同样的指令条数所完成的功能可能不同:另外，不同机器的CPI和时钟周期出不同，因而同一条指令在不同机器上所用的时间也不同。

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补充：
（1）指令
（1）取数指令（load）
在主存单元中取出数据存放到通用寄存器中
（2）存数指令（store）
将通用寄存器的内容写入主存单元
（3）加法指令（add）
将两个通用寄存器内容相加送入结果寄存器
（4）传送指令（mov）
将一个通用寄存器的内容送到另一个通用寄存器。