第3章 计算机硬件系统 习题与答案

一、 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）。 （P72）

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。 (P76-P77)

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。 (P79)

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（Gordon Moore，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。 (P74-P75)

5．举例描述提高主存性能的技术（不少于2种）。 答：

（P76-79）

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。 (P78)

7．I/O设备主要包含哪几类？并请分别举例。

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) 8．计算机显卡主要使用哪一种总线与计算机进行连接，为何要与其他外设使用的总线进行区别？ 答：

AGP（Accelerated Graphics Port）总线。AGP总线是一种专用的显示总线，并且将显示卡与其他外设独立出来，使得PCI声卡、SCSI设备、网络设备等的工作效率随之得到提高，其根本目的是提高系统图形显示的水平，特别是满足3D显示的需要。

用于取代AGP接口的PCI Express接口位宽为X16，将能够提供5GB/s的带宽，即便有编码上的损耗但仍能够提4GB/s左右的实际带宽，远远超过AGP 8X的2.1GB/s的带宽。

PCI Express是新一代的总线接口，被称之为第三代I/O总线技术。2002年7月正式公布了PCI Express 1.0规范，并于2007年初推出2.0规范（Spec 2.0），将传输率由PCI Express 1.1的2.5GB/s提升到5GB/s。 (P86)

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，只是由于成本原因，其容量还没有做到很大。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。 (P80-P81)

10．选择计算机硬件产品时应注意哪些方面，你个人有什么认识？

参考：从计算机组成、各个部件的作用、性价比和计算机应用领域等方面描述

二、练习题

（一）选择题

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 （P70）

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 (P76)

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 （P76）

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 (P72)

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 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 (P78)

7．下列说法正确的是_________。 A）半导体RAM信息可读可写，且断电后仍能保持记忆 B）半导体RAM属易失性存储器，而静态RAM的存储信息是不易失的 C）静态RAM、动态RAM都属易失性存储器，前者在电源不掉时，不易失 D）静态RAM不用刷新，且集成度比动态RAM高，所以计算机系统上常使用它

C (P78)

8．下列不是输出设备的是_________。 A）扫描仪 B）显示器 C）光学字符阅读机 D）打印机

AC (P82)

（二）填空题

1．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 (P76) 2．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)

3．计算机系统总线一般由_______总线、_______总线和_______总线组成。

系统总线 内部总线 I/O总线 (P85)

4．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 （P71-P72）

5．控制器主要由_______、_______和_______组成。

CPU寄存器组 操作控制部件 时序部件 (P74)

6．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 (P76)

7．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 (P78)

8．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 (P746)

9．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 (P81)

10．外设接口，也叫I/O接口，主要功能是数据的暂存与缓冲。用来实现将不同工作速度的设备连接起来进行数据传送时的速度匹配。按接口与外设这一边数据传送的形式来分，有_______、_______两种不同类型的接口。

串行 并行 （P89）

（三）判断题

1．中央处理器由控制器和存储器组成。 （ ）错 2．Cache的速度远高于CPU。 （ ）错 3．存储器容量越大，则其存取数据的速度越慢。 （ ）对 4．ROM在断电后，仍能保存其存储的数据。 （ ）对 5．AGP总线是一种专用的显示总线，供显示卡专用。 （ ）对

（四）讨论题

1．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 控制器 存储器计算机主机数据总线地址总线控制总线接口线路输入设备 接口线路输出设备 计算机外围设备

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。 (P48，P71-P90)

2．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。 (P81-P84)

2．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）。其主要区别是CPU能够直接访问内存，但不能直接访问外存，访问外存的方式更接近于I/O设备的访问，而且外存的数据，必须通过内存才能为CPU所用。在随着CPU速度的提高，有些计算机中还配置了高速缓冲存储器（chache），这时内存包括主存与高速缓存两部分。

内部存储器主要存储正处在运行中的程序和数据(或一部分)的部件，通过地址、数据、控制三类总线与CPU等其他部件连通

外部存储器是内部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。 (P76-P81)

4．计算机的主要技术指标有哪些？各对计算机性能有何影响？

答：(1)处理器速度和字长。处理器的运行速度和字长是衡量计算机性能的重要指标。一般说来，CPU时钟频率（主频）越高，运算速度就越快；其他条件相当时，字长越长，处理能力越强。

(2)内存储器的容量和速度。内存储器，也简称主存，是CPU可以直接访问的存储器，需要执行的程序与需要处理的数据存放在主存中。内存储器容量的大小反映了计算机即时存储信息的能力。内存容量越大，系统功能就越强大，能处理的数据规模越大。内存的速度对计算机处理的速度也有相当影响，内存速度越快，相应的处理速度也能提高。

(3)外存储器的容量和速度。外存储器容量通常是指硬盘容量（包括内置硬盘和移动硬盘）。外存储器容量越大，可存储的信息就越多。外存的速度主要影响程序或数据载入的速度，对处理有一定的影响，但不象内存那么直接。

5．简述静态RAM和动态RAM的主要差别。

答：静态RAM是利用双稳态触发器的开关特性进行记忆，只要保持供电，它总能保持两个稳定的状态中的一个状态。动态RAM靠MOS电路中的栅极电容来记忆信息，由于电容的电荷会泄漏除要保持电源外，还必须设置刷新电路，动态地每隔一定的时间间隔对它进行一次刷新，否则信息就会丢失。SRAM读写速度高而成本也高，DRAM比SRAM集成度高、功耗低，从而成本也低，适于作大容量存储器。 (P78)

6．什么是多级存储体系？简述其特点。

答：多级存储系统是指计算机存储器选用生产与运行成本不同的、存储容量不同的、读写速度不同的多种存储介质，组成一个统一的存储器系统，使每种介质都处于不同的地位，发挥不同的作用，充分发挥各自在速度、容量、成本方面的优势，从而达到最优性能价格比，以满足使用要求的存储系统。

多级存储系统有如下规律(从上到下)： 价格依次降低； 容量依次增加； 访问时间依次增长；

CPU访问频度依次减小。

多级存储系统能够合理地分配存储器容量、速度和价格之间的矛盾，是当前解决存储器性能与需求矛盾的最理想的技术途径。 (P76-P77)

7、试比较PCI总线和PCI-E总线。 答：PCI是在CPU和原来的系统总线之间插入的一级总线，具体由一个桥接电路实现对这一层的管理，并实现上下之间的接口以协调数据的传送。管理器提供信号缓冲，能在高时钟频率下保持高性能，社和为显卡，声卡，网卡，MODEM等设备提供连接接口，工作频率为33MHz/66MHz。

PCI总线系统要求有一个PCI控制卡，它必须安装在一个PCI插槽内。这种插槽是目前主板带有最多数量的插槽类型。根据实现方式不同，PCI控制器可以与CPU一次交换32位或64位数据，它允许智能PCI辅助适配器利用一种总线主控技术与CPU并行地执行任务。PCI允许多路复用技术，即允许一个以上的电子信号同时存在于总线之上。

PCI Express总线采用了目前业内流行的点对点串行连接，比起PCI以及更早期的计算机总线的共享并行架构，每个设备都有自己的专用连接，不需要向整个总线请求带宽，而且可以把数据

传输率提高到一个很高的频率，达到PCI所不能提供的高带宽。相对于传统PCI总线在单一时间周期内只能实现单向传输，PCI Express的双单工连接能提供更高的传输速率和质量，它们之间的差异跟半双工和全双工类似。 (P86)

8、简述USB的特点和主要用途

答：通用串行总线USB（Universal Serial Bus）不是一种新的总线标准，而是应用在PC领域的接口技术。USB是在1994年底由多家公司联合提出的,直到近期才得到广泛地应用。目前主板中主要是采用USB2.0，各USB版本间能很好的兼容。USB具有传输速度快（USB1.1是12Mbps，USB2.0是480Mbps），使用方便，支持热插拔，连接灵活，独立供电等优点，可以连接鼠标、键盘、打印机、扫描仪、摄像头、闪存盘、MP3机、手机、数码相机、移动硬盘、外置光软驱、USB网卡、ADSL Modem、Cable Modem等，几乎所有的外部设备。USB还在继续发展，完整的USB 3.0

规格有望于2008年推出，理论上5Gbps并保持向下兼容USB 1.0/1.1/2.0。 (P89)

9、试分析在系统中，当I/O设备较多时，CPU需按各个I/O设备在系统中的优先级别进行查询，一般需要执行哪些步骤?

10、试比较PROM、EPROM和EEPROM的不同点。

答：PROM（可编程的ROM）元件是用户可以根据需要写入数据的器件，一旦写入数据就固定下来，不能再改变。有多种技术实现方式，其中一种是熔丝型，在出厂时各处熔丝都是完好的，用户在使用时根据需要用大电流将部分熔丝烧断以改变状态。这样就将自己的信息写入了元件。

EPROM是一种可改写的ROM，可以对其内容进行多次改写，所以叫可擦除可编程ROM（erasable programmable ROM）。目前用得最多的EPROM是用浮动栅雪崩注入型MOS管构成，称为FAMOS型EPROM。 (P78)

11、一台计算机有1GB（吉字节）的内存，每个字长为8字节。那么在存储器中对每个字寻址需要多少位？

答：1GB=1024MB，1024MB/8 =128M字 =217字， 所以对每个字进行寻址需要17位地址