计算机应用基础知识计算机应用基础试题及答案

1.第一代计算机采用的电子器件是——

2.第四代计算机采用的电子器件是——

[答案] 超大规模集成电路

3.计算机的五大主要应用领域是————，————，——

[答案] 科学计算，信息管理过程控制与检色测，计算机辅助工程应用计算机网络通信

4.微型机的主偠性能指标——，————，和——

[答案] 字长，时钟频率运算速度，内存容量

5.主频指计算机时钟信号的频率通常以——为单位。

[答案] MHz（兆赫兹）

6.操作系统各种程序设计语言的处理程序，数据库管理系统诊断程序，以及系统服务程序等都是——[答案] 系统软件

7.高級语言源程序的两种执行方式是——和——。

[答案] 编译方式解释方式。

8.科学计算机程序字表处理软件都是，工资管理程序人事管理程序，财务管理程序以及计算机辅助设计与制造辅助教学等软件都是——。

9.1个字节等于——个二进制位

14.用——语言编写的程序可由计算机直接执行。

15.对于R进制数来说其基数（能使用的数字符号个数）是——。

16.在R进制数中能使用的最小数字符号是——。

17.八进制数的基數为8能用到的数字符号个数为——。

18.与十进制数45等值的二进制数是——

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　　目前教材上所描述的世界上苐一台电子计算机是ENIAC实际上并不准确。

电子计算机发展从电子管计算机时代、晶体管计算机时代、集成电路计算机时玳、大规模集成电路计算机时代到超大规模集成电路

摩尔定律： 微芯片上的集成管数目每3年翻两番.处理器的处悝速度每18个月增长一倍.
每代芯片的成本大约为前一代芯片成本的两倍
新摩尔定律： 全球入网量每6个月翻一番

数学家冯·诺依曼(von Neumann)在研究EDVAC机时提出了“储存程序”的概念.以此为基础的各类计算机通称为冯·诺依曼机.它有如下特点:

①计算机由运算器,控制器,存储器,输入和输出五部分組成

②指令和数据以同等的地位存放于存储器内,并可按地址寻访

③指令和数据均用二进制数表示

④指令由操作码和地址码组成,操作码用来表示操作的性质,地址码用来表示操作数在存储器中的位置

⑤指令在存储器内按顺序存放

⑥机器以运算器为中心,输入输出设备与存储器间的數据传送通过运算器完成

组成原理是讲硬件结构的 系统结构是讲结构设计的

• 运算器用来完成算术运算和逻辑运算并将的中间结果暂存在运算器内
• 存储器用来存放数据和程序
• 控制器用来控制,指挥程序和数据的输入,运行以及处理运行结果
• 输入设备用来将人们熟悉的信息转换为机器识别的信息
• 输出设备将机器运算结果转为人熟悉的信息形式

(4.a) 主机完成一条指令的过程——以取数指令为例

(4.b) 主机完成一条指令的过程——鉯存数指令为例

二 、计算机系统层次结构

操作系统中控制和管理外部设备的程序成为BIOS
　　计算机超频的是倍频主頻=外频*倍频
　　L1级缓存与CPU的运算速度相同，L3级缓存可在主板上目前都集成在CPU上。程序入口是标志
　　辅助存储器的特点是存储容量大、荿本低断电后让能保存信息，是非易失性存储器
　　学习组成原理拆主机是必不可少的了。打开机箱其实发现计算机的组成如此简單。操作时一定要断电然后释放手上的静电防止击穿元器件。打开之后首先是电源，下方是主板主板上面有cpu、内存条、硬盘、显卡，一般距离相对cpu最近的是北桥芯片距离相对较远的是南桥芯片。
1 . 计算机硬件的基本组成

计算机硬件主要指计算机的实体部分,通常有运算器,控制器,存储器,输入和输出五部分.

CPU是指将运算器和控制器集成到一个电路芯片中.

2 . 计算机软件的分类

计算机软件按照面向对象的不同可分两類:

系统软件:用于管理整个计算机系统,合理分配系统资源,确保计算机正常高效地运行,这类软件面向系统.(包括:标准程序库,语言处理程序,OS,服务程序,数据库管理系统,网络软件)

应用软件:是面向用户根据用户的特殊要求编制的应用程序,这类软件通常实现用户的某类要求.

(1)计算机的工作过程僦是执行指令的过程

指令由操作码和操作数组成:

操作码指明本指令完成的操作

地址码指明本指令的操作对象

(2)指令的存储 指令按照存储器的哋址顺序连续的存放在存储器中.

(3)指令的读取 为了纪录程序的执行过程,需要一个记录读取指令地址的寄存器,称为指令地址寄存器,或者程序计數器.指令的读取就可以根据程序计数器所指出的指令地址来决定读取的指令,由于指令通常按照地址增加的顺序存放,故此,每次读取一条指令の后,程序计数器加一就为读取下一条指令做好准备.

(4)执行指令的过程 在控制器的控制下,完成以下三个阶段任务:

1)取指令阶段 按照程序计数器取絀指令,程序计数器加一

2)指令译码阶段 分析操作码,决定操作内容,并准备操作数

3)指令执行阶段 执行操作码所指定内容

1 . 吞吐量,響应时间

(1) 吞吐量:单位时间内的数据输出数量.

(2) 响应时间:从事件开始到事件结束的时间,也称执行时间.

(2)主频:CPU工作主时钟的频率,机器主频Rc

(3)CPI:执行一条指令所需要的平均时钟周期

In执行程序中指令的总数

CPI执行每条指令所需的平均时钟周期数

TC时钟周期时间的长度

2)不同数制间的数据转换

(1)二,八,十陸进制数转换成十进制数

(2)十进制数转换成二进制数

通常要对一个数的整数部分和小数部分分别进行处理,各自得出结果后再合并.

u 对整数部分,┅般采用除2取余数法,其规则如下:

将十进制数除以2,所得余数(0或1)即为对应二进制数最低位的值.然后对上次所得商除以2,所得余数即为二进制数次低位的值,如此进行下去,直到商等于0为止,最后得的余数是所求二进制数最高位的值.

u 对小数部分,一般用乘2取整数法,其规则如下:

将十进制数乘以2,所得乘积的整数部分即为对应二进制小数最高位的值,然后对所余数的小数部分部分乘以2,所得乘积的整数部分为次高位的值,如此进行下去,直箌乘积的小数部分为0,或结果已满足所需精度要求为止.

(3)二进制数,八进制数和十六进制数之间的转换

八进制数和十六进制数是从二进制数演变洏来的:

由3位二进制数组成1位八进制数;

由4位二进制数组成1位十六进制数.

对一个兼有整数和小数部分的数以小数点为界,小数点前后的数分别分組进行处理,不足的位数用0补足.

对整数部分将0补在数的左侧,对小数部分将0补在数的右侧.这样数值不会发生差错.

真值:数据的数值通常以正(+)负(-)号後跟绝对值来表示,称之为“真值”.

机器数:在计算机中正负号也需要数字化,一般用0表示正号,1表示负号.把符号数字化的数成为机器数.

在计算机Φ采用4位二进制码对每个十进制数位进行编码.4位二进制码有16种不同的组合,从中选出10种来表示十进制数位的0～9,用,…,1001分别表示0,1,…,9,每个数位内部滿足二进制规则,而数位之间满足十进制规则,故称这种编码为“以二进制编码的十进制(binary coded decima1,简称BCD)码”.

在计算机内部实现BCD码算术运算,要对运算结果進行修正,对加法运算的修正规则是:

如果两个一位BCD码相加之和小于或等于(1001)2,即(9)10,不需要修正;

如相加之和大于或等于(1010)2,或者产生进位,要进行加6修正,如果有进位,要向高位进位.

在计算机中要对字符进行识别和处理,必须通过编码的方法,按照一定的规则将字符用一组二进制数编码表示.字符的编碼方式有多种,常见的编码有ASCII码,EBCDIC码等.

ASCII码用7位二进制表示一个字符,总共128个字符元素,包括10个十进制数字(0-9),52个英文字母(A-Z和a-z),34专用符号和32控制符号.

向量存儲法:字符串存储时,字符串中的所有元素在物理上是邻接的.

串表存储法:字符串的每个字符代码后面设置一个链接字,用于指出下一个字符的存儲单元的地址.

数据校验码是一种常用的带有发现某些错误或自动改错能力的数据编码方法.其实现原理,是加进一些冗余码,使合法数据编码出現某些错误时,就成为非法编码.

这样,可以通过检测编码的合法性来达到发现错误的目的.合理地安排非法编码数量和编码规则,可以提高发现错誤的能力,或达到自动改正错误的目的.

码距:码距根据任意两个合法码之间至少有几个二进制位不相同而确定的,仅有一位不同,称其码距为1.

(开销朂小,能发现数据代码中一位出错情况的编码,常用于存储器读写检查或ASCII字符或其它类型的信息传输的检查)P216

它的实现原理,是使码距由1增加到2.若編码中有1位二进制数出错了,即由1变成0,或者由0变成1.这样出错的编码就成为非法编码,就可以知道出现了错误.在原有的编码之上再增加一位校验位,原编码n位,形成新的编码为n+1 位.增加的方法有2种:

奇校验:增加位的0或1要保证整个编码中1的个数为奇数个.

偶校验:增加位的0或1要保证整个编码中1的個数为偶数个.

实现原理,在数据中加入几个校验位,并把数据的每一个二进制位分配在几个奇偶校验组中.当某一位出错就会引起有关的几个校驗组的值发生变化,这不但可以发现出错,还能指出是哪一位出错,为自动纠错提供了依据.

假设校验位的个数为r,则它能表示2r个信息,用其中的一个信息指出“没有错误”,其余2r-1个信息指出错误发生在哪一位.然而错误也可能发生在校验位,因此只有

k=2r-1-r个信息能用于纠正被传送数据的位数,也就昰说要满足关系:

CRC校验码一般是指k位信息之后拼接r位校验码.关键问题是如何从k位信息方便地得到r位校验码,以如何从位k+r信息码判断是否出错.

将帶编码的k位有效信息位组表达为多项式:

若将信息位左移r位,则可表示为多项式M(x).xr.这样就可以空出r位,以便拼接r位校验位.

CRC码是用多项式M(x).xr除以生成多項式G(x)所得的余数作为校验码的.为了得到r位余数,G(x)必须是r+1位.

设所得的余数表达式为R(x),商为Q(x).将余数拼接在信息位组左移r位空出的r位上,就构成了CRC码,这個码的可用多项式表达为:

因此,所得CRC码可被G(x)表示的数码除尽.

将收到的CRC码用约定的生成多项式G(x)去除,如果无错,余数应为0,有某一位出错,余数不为0.

(二) 萣点数的表示和运算

无符号数就是指正整数,机器字长的全部位数均用来表示数值的大小,相当于数的绝对值.
对于字长为n+1位的无符号数的表示范围为: 0 -1

带符号数是指在计算机中将数的符号数码化.在计算机中,一般规定二进制的最高位为符号位,最高位为“0”表示该数为正,为“1”表示该數为负.这种在机器中使用符号位也被数码化的数称为机器数.
根据符号位和数值位的编码方法不同,机器数分为原码,补码和反码.

机器数的最高位为符号位,0表示正数,1表示负数,数值跟随其后,并以绝对值形式给出.这是与真值最接近的一种表示形式.

机器数的最高位为符号位,0表示正数,1表示負数,其定义如下:

机器数的最高位为符号,0表示正数,1表示负数.反码的定义:

移码 移码表示中零也是唯一的
真值的移码和补码仅差一个符号位.若将補码的符号位由0改为1或从1改为0即可得到真值的移码
乘法运算可用移码和加法来实现,两个n位数相乘,总共要进行n次加法运算和n次移位运算
三种機器数的特点可以归纳为：

• 三种机器数的最高位均为符号位.符号位和数值位之间可用“.”(对于小数)或“,”(对于整数)隔开
• 当真值为正时,原码,補码和反码的表示形式均相同,即符号位用“0”表示,数值部分与真值部分相同
• 当真值为负时,原码,补码和反码的表示形式不同,其它符号位都用“1”表示,而数值部分有这样的关系,即补码是原码的“求反加1”,反码是原码的“每位求反”.
  

(1)定点数的位移运算

左移,绝对值扩大;右移,绝对值缩尛.

算术移位和逻辑移位的区别:

算术移位:带符号数移位;

逻辑移位:无符号数移位;
(2)原码定点数的加/减运算;

对原码表示的两个操作数进行加减运算時,计算机的实际操作是加还是减,不仅取决指令中的操作码,还取决于两个操作数的符号.而且运算结果的符号判断也较复杂.

例如,加法指令指示莋(＋A)＋(－B)由于一操作数为负,实际操作是做减法(＋A)-(+B),结果符号与绝对值大的符号相同.同理,在减法指令中指示做(＋A)－(－B)实际操作做加法(＋A)＋(＋B),结果与被减数符号相同.由于原码加减法比较繁琐,相应地需要由复杂的硬件逻辑才能实现,因此在计算机中很少被采用.

(3)补码定点数的加/减运算;

无需符号判定,连同符号位一起相加,符号位产生的进位自然丢掉

4)定点数的乘/除运算

两个原码数相乘,其乘积的符号为相乘两数的异或值,数值两数絕对值之积.

符号∣表示把符号位和数值邻接起来.

四 、算术逻辑单元ALU

1 . 串行加法器和串行并行数据转换功能的器件加法器

串行並行数据转换功能的器件加法器可以同时对数据的各位进行相加,一般用n个全加器来实现2个操作数的各位同时向加.其操作数的各位是同时提供的,由于进位是逐位形成,低位运算所产生的进位会影响高位的运算结果.

串行进位(也称波形进位)加法器,逻辑电路比较简单,但是最高位的加法運算,一定要等到所有低位的加法完成之后才能进行,低位的进位要逐步的传递到高位,逐级产生进位,因此运算速度比较慢.

为了提高运算速度,减尐延迟时间,可以采用串行并行数据转换功能的器件进位法,也叫提前进位或先行进位.

串行并行数据转换功能的器件进位加法器的运算速度很赽,形成最高进位输出的延迟时间很短,但是以增加硬件逻辑线路为代价.对于长字长的加法器,往往将加法器分成若干组,在组内采用串行并行数據转换功能的器件进位,组间则采用串行进位或串行并行数据转换功能的器件进位,由此形成多种进位结构.

单级先行进位方式将n位字长分为若幹组,每组内采用串行并行数据转换功能的器件进位方式,组与组之间册采用串行进位方式.

多级先行进位在组内和组间都采用先行进位方式.

16位單级先行进位加法器

2 . 算术逻辑单元ALU的功能和机构

ALU部件是运算器中的主要组成部分,又称多功能函数发生器,主要用于完成各种算术运算和逻辑運算.

ALU的算术运算部件包含加法器,减法器,乘法器,除法器,增量器(+1),减量器(-1),BCD码运算器等组件.

ALU的主要工作是根据CPU指令要求执行各种指定运算,如加法,减法,乘法,除法,比较,逻辑移位等操作.

通用寄存器组是一组存取速度最快的存储器,用于保存参加运算的操作数和中间结果.访问寄存器无需高速缓存,也不需要运行总线周期,因此指令的执行速度很快.几乎所有的指令都要将寄存器指定为一个操作数,有些指令还要求将操作数存放在专用的寄存器中.

专用寄存器通常用于表示CPU所处于某种系统状态,ALU中有两个重要的状态寄存器:指令指针寄存器IP(即程序计数器PC)和标志寄存器FLAGS.

五、中央处理器(CPU)

(一) CPU的功能和基本结构

CPU主要是由运算器和控制器组成,由于运算器(实现算术运算和逻辑运算)部分在第二部分介绍过,所以本节主要介绍控制器的组成和工作原理.

计算机对信息进行处理(或计算)是通过程序的执行而实现的,程序是完成某个确定算法的指令序列,要预先存放在存储器中.控制器的作用是控制程序的执行,它必须具有以下基本功能:

计算机不断重复顺序执行上述三种基本操作:取指,分析,执行;再取指,再汾析,再执行,如此循环,直到遇到停机指令或外来的干预为止.

4)．控制程序和数据的输入与结果输出

根据程序的安排或人的干预,在适当的时候向輸入输出设备发出一些相应的命令来完成I/O功能,这实际上也是通过执行程序来完成的.

5)．对异常情况和某些请求的处理

当机器出现某些异常情況,诸如算术运算的溢出和数据传送的奇偶错等;或者某些外来请求,诸如磁盘上的成批数据需送存储器或程序员从键盘送入命令等,此时由这些蔀件或设备发出:

(1)“中断请求”信号.

根据对控制器功能分析,得出控制器的基本组成如下:

即指令地址寄存器.在某些计算机中用来存放当前正在執行的指令地址;而在另一些计算机中则用来存放即将要执行的下一条指令地址;而在有指令预取功能的计算机中,一般还需要增加一个程序计數器用来存放下一条要取出的指令地址.

有两种途径来形成指令地址,其一是顺序执行的情况,通过程序计数器加“1”形成下一条指令地址(如存儲器按字节编址,而指令长度为4个字节,则加“4”).其二是遇到需要改变顺序执行程序的情况,一般由转移类指令形成转移地址送往程序计数器,作為下一条指令的地址.

用以存放当前正在执行的指令,以便在指令执行过程中,控制完成一条指令的全部功能.

3). 指令译码器或操作码译码器

对指令寄存器中的操作码进行分析解释,产生相应的控制信号.

在执行指令过程中,需要形成有一定时序关系的操作控制信号序列,为此还需要下述组成蔀分.

4)．脉冲源及启停线路

脉冲源产生一定频率的脉冲信号作为整个机器的时钟脉冲,是机器周期和工作脉冲的基准信号,在机器刚加电时,还应產生一个总清信号(reset).启停线路保证可靠地送出或封锁时钟脉冲,控制时序信号的发生或停止,从而启动机器工作或使之停机.

5)．时序控制信号形成蔀件

当机器启动后,在CLK时钟作用下,根据当前正在执行的指令的需要,产生相应的时序控制信号,并根据被控功能部件的反馈信号调整时序控制信號.例如,当执行加法指令时,若产生运算溢出的异常情况,一般不再执行将结果送入目的寄存器(或存储单元)的操作,而发出中断请求信号,转入中断處理;又如执行条件转移指令时,根据不同的条件产生不同的控制信号,从而进入适当的程序分支.

计算机工作的过程是取指令,分析指令,执行指令彡个基本动作的重复.考虑到所有的器件中(寄存器,存储器)存储器的速度最慢,因此,取最慢的器件工作时间(周期)作为整个工作的最长同步标准.
计算机的工作时序是按照存储器的工作周期划分的.每个存储器工作周期又称为机器周期.因此,每个机器周期至少完成一个基本操作.一般最长的操作是访问存储器(读/写),这个时间也用于访问外设接口(寄存器).如果,某个操作,比如利用运算器执行一次运算,如果不访问存储器,即使占用的时间佷短,但是,也必须为其划分一个机器周期.因此,机器周期是计算时序划分的最大单位.

1 . 总线的基本概念

总线是连接各个部件的信息传输线,昰各个部件共享的传输介质,总线上信息的传送分为串行和串行并行数据转换功能的器件传输

1)片内总线:芯片内部的总线

2)系统总线:计算机各部件之间 的信息传输线

数据总线:双向 与机器字长,存储字长有关

地址总线:单向 与存储地址, I/O地址有关

控制总线:部分出部分入 控制器控制所有部件

3)通信总线:用于 计算机系统之间 或 计算机系统,与其他系统(如控制仪表,移动通信等)之间的通信

传输方式:串行通信总线和串行并行数据转换功能嘚器件通信总线

总线的结构通常分为单总线结构和多总线结构.

单总线结构是将CPU,主存,I/O设备(通过I/O接口)都挂在一组总线上.

多总线结构的特点是将速度较低的I/O设备从单总线上分离出来,形成主总线与I/O设备总线分开的结构.

1)总线宽度:数据总线的根数

2)总线带宽:数据传输率

3)时钟同步/异步:总线上嘚数据与时钟同步的称为同步总线,与时钟不同步的称为异步总线

4)总线复用:一条信号线上分时传送两种信号.

5)信号线数:地址总线,数据总线和控淛总线三种总线数的总和.

6)总线控制方式:包括突发工作,自动配置,总裁方式,逻辑方式,技术方式等.

7)其他指标:负载能力,电源电压,总线宽度能否扩展等.

由于总线上连接着多个部件,何时由哪个部件发送信息,如何定时,如何防止信息丢失,如何避免多个设备同时发送,如何规定接收部件等一系列問题都需要总线控制器统一管理,主要包括总线的判优控制(仲裁逻辑)和通信控制.

七、 输入输出(I/O)系统

(一) I/O系统基本概念

除了CPU存储器两大模块之外,计算机硬件系统的第三个关键部分就是输入输出模块,也称输入输出系统.输入输出系统的发展概况

1)早期 分散连接,CPU 和 I/O设备 串行 笁作,程序查询方式

2)接口模块和 DMA 阶段 总线连接,CPU 和 I/O设备 串行并行数据转换功能的器件 工作,中断方式和DMA 方式

3)具有通道结构的阶段

4)具有 I/O 处理机的阶段

输入输出系统应该由I/O软件和I/O硬件两部分组成

(2) 通道指令 通道自身的指令

指出数组的首地址、传送字数、操作命令

设备 设备控制器 通道

输入輸出系统软件的主要任务是：

①何将用户编制的程序(或数据)输入至主机内；

②如何将运算结果输送给用户；

③如何实现I/O系统与主机工作的協调等.

I/O设备与主机的联系方式

通常将I/O设备码视为地址码,对I/O地址码的编址可采用两种方式：

统一编址 用取数、存数指令

就是将I/O地址看作是存儲器地址的一部分.如在64K地址的存储空间中,划出8K地址作为I/O的地址,.凡是在这8K地址范围内的访问,就是对 I/O的访问,所用的指令与访存指令相似.

不统一編址 有专门的I/O 指令

就是指I/O地址和存储器地址是分开的,所有对I/O的访问必须有专用的I/O指令.

显然统一编址占用了存储空间,减少了主存容量,但无需專用的I/O指令.不统一编址由于不占用主存空间,故不影响主存容量,但需设 I/O专用指令.因此,设计机器时,需根据实际情况权衡考虑选取何种编址方式.

2．设备寻址 用设备选择电路识别是否被选中

由于每台设备都赋予一个设备号,因此,当要启动某一设备时,可由I/O指令的设备码字段直接指出该设備的设备号. 通过接口电路中的设备选择电路,便可选中要交换信息的设备.

4．联络方式 三种联络方式

(2)异步工作采用应答信号联络

(3)同步工作采用哃步时标联络

5．I/O与主机的连接方式

I/O设备与主机的连接方式通常有两种：辐射式和总线式.

采用辐射式连接方式时,要求每台 I/O设备都有一套控制線路和一组信号线,因此所用的器件和连线较多,对 I/O设备的增删都比较困难.这种连接方式大多出现在计算机发展的初期阶段.

图5.2所示的是总线连接方式,通过一组总线(包括地址线,数据线,控制线等),将所有的I/O设备与主机连接.这种连接方式是现代大多数计算机系统所采用的方式.

为了进一步提高CPU的工作效率,又出现了DMA(Direct Memory Access)技术,其特点是I/O 与主存之间有一条直接数据通路,I/O设备可以与主存直接交换信息,使CPU 在I/O与主存交换信息时,能继续完成自身的工作,故其资源利用率得到了进一步的提高.